С.А. МАДАТЯН, д-р техн.наук, проф. (НИИЖБ); В.Я. ЕРЕМИН, канд. техн.наук, А.В. ЕРЕМИН, С.Ф. РАЯНОВ, Н.В. САРАФАНОВ (фирма РИТА); А.А. БУДАНОВ, инж. (МГСУ), УЗЕЛ СТЫКОВОГО СОЕДИНЕНИЯ СТЕРЖНЕЙ АРМАТУРЫ В СЖАТЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТАХ

В большинстве зданий и сооружений можно найти железобетонные элементы или отдельные их части, постоянно находящиеся в сжатом состоянии. К таким относятся сваи в основаниях тяжелых зданий и сооружений.

Объем применения буронабивных свай-РИТ увеличивается с каждым годом [1, 2]. Особенно резко возрос спрос на эти сваи на московских стройках после их успешного использования в основании жилого дома высотой 120 м (проспект Вернадского, 37), инициатором строительства которого был д.т.н. проф. С.А. Амбарцумян (в то время вице-президент Главмосстоя). Здесь на 899 сваях-РИТ диаметром 300 мм и длиной 21 м, объединенных плитой площадью 1570 м2 в комбинированный свайно-плитный (КСП) фундамент, был возведен дом весом 128 тыс. т. Осадки дома, по данным мониторинга, осуществляемого специалистами НИИОСП им. Н.М. Герсеванова, стабилизировались, не превысив 40 мм [3]. Применение свай-РИТ позволило обеспечить высокое качество фундаментов, сократить сроки строительства и сэкономить огромные средства.

Достигнутая экономия могла быть еще больше, если бы в то время (2003 г.) была решена проблема эффективного стыкового соединения секций арматурных каркасов. Для армирования упомянутых свай длиной 21 м использовали каркасы, изготовленные из двух отдельных секций, которые стыкуются между собой во время монтажа. После погружения в скважину, заполненную бетонной смесью, нижней секции длиной 11,7 м и ее временного вывешивания, краном подавали верхнюю секцию длиной 10 м и производили их стыковку. Длина арматурных выпусков, за- моноличиваемых в фундаментную плиту, составляла 700 мм, стыковое соединение внахлест съедало почти метр. На двух корпусах было израсходовано около 40 т арматурной стали А-III диаметром 28 мм на соединение внахлест. Возможно, стоимость перерасходованной арматуры в масштабах всей стройки незаметна, но, помимо перерасхода металла, выполнение соединения внахлест занимало много времени, иногда до 30 мин, что существенно сказывалось на темпах работ.

Известны и применяются другие варианты стыкового соединения секций арматурных каркасов, например ванной сваркой, сваркой с накладками, резьбовыми муфтами, обжимными втулками и т.п.

Соединение отдельных секций в арматурный каркас сопряжено с рядом сопутствующих проблем. Особенно отчетливо они проявляются при усилении железобетонных плитных фундаментов. Например, для возведения многоэтажных зданий над существующими сооружениями гражданской обороны (ГО) или усилении плитных фундаментов, сделанных экономными подрядчиками вместо КСП. Здесь длина секции арматурного каркаса регламентируется высотой помещения ГО или высотой подземного этажа. При высоте помещения 2,4 м длина нижней секции может соответствовать высоте помещения. Все вышераспо- ложенные секции должны быть короче на длину перехлеста рабочих арматурных стержней (при стыке внахлестку), или на длину сварного шва (при стыке с помощью электросварки), или на длину соединительных втулок (при использовании обжимаемых втулок), или муфт (при использовании арматуры винтового профиля). Каждый из способов соединения отдельных секций в единый арматурный каркас имеет свои преимущества и недостатки.

Наиболее простой способ - соединение внахлестку. Длина перехлеста стержней определяется по формулам СНиП 2.03.01-84 [4] или СП 52-101-2003 [5]. При этом не рекомендуется, чтобы диаметр рабочей арматуры превышал 36 мм [5]. Площадь рабочих стержней периодического профиля, стыкуемых в одном сечении или на расстоянии менее длины перепуска, не должна превышать 50% общей площади растянутой арматуры, необходимой по расчету для армирования железобетонной конструкции в данном сечении [4, 5], поскольку это приводит к значительному перерасходу металлопроката. Про стыковое соединение сжатой рабочей арматуры внахлестку в [4, 5] не упоминается, поэтому на эти стыки распространяют требования, предъявляемые к растянутой арматуре.

Возможно устройство стыка внахлест с соединением рабочей арматуры электросваркой. Длина перехлеста определяется длиной сварного шва. Можно выполнить стыковое соединение вертикальных стержней встык с помощью ванной сварки. Устройство равнопрочного сварного стыка характеризуется большими тепловложениями. Масса наплавляемого металла при сварке 6 стержней диаметром 28...32 мм превышает 1,2 кг. Арматурная сталь свариваемых стержней класса А-III может разупрочняться на расстоянии до 1,0...1,2 диаметра арматуры в каждую сторону от сварного стыка. Погружение в бетонную смесь горячего сварного стыка может привести к хрупкому разрушению сварного шва или свариваемого металла. Технологический перерыв для естественного остывания сварного стыка повышает продолжительность монтажа арматурного каркаса, уводя ее за пределы времени гидратации цемента. Кроме того, погружение в бетонную смесь арматурного каркаса со сварными стыками, остывшими до температуры чуть ниже 1000С, при которой исключается разрушение сварного шва и вредное воздействие на бетонную смесь, приводит к ускоренной гидратации цемента в зоне стыка и образованию пробки из схватившегося бетона. Наличие таких пробок не позволяет погрузить арматурный каркас до проектной глубины, особенно если в каркасе имеется несколько сварных стыковых соединений. При сварке секций арматурного каркаса на открытом воздухе при отрицательных температурах возникают дополнительные проблемы, связанные с необходимостью устройства тепляков.

Применение обжимаемых втулок для соединения рабочей арматуры сдерживается высокой стоимостью специального гидравлического оборудования и проблемами размещения его захватов между плотно расположенными стержнями (расстояние между муфтами 1,0...1,5 диаметра рабочих стержней).

Винтовые соединительные муфты требуют использования арматуры винтового профиля. Отечественная промышленность в последние 15.20 лет такую арматуру не производит. Арматуру винтового профиля для грунтовых анкеров (сталь St 1050/950) мы вынуждены закупать в Германии. Кроме того, продольные стержни должны иметь возможность смещения. При соединении винтовыми муфтами нарушаются нормируемое расстояние между стержнями и величина защитного слоя бетона в зоне установки муфт, равнопрочных арматуре.

Попытки стыковать секции арматурных каркасов до их монтажа в скважину успеха не имели. При переводе из горизонтального в вертикальное положение армокаркаса длиной около 20 м происходят необратимые остаточные деформации. Рабочие метко подметили, что каркас становится по форме бананом. Погрузить в скважину глубиной 21 м армокаркас такой формы весьма сложно, не говоря уже о нарушении требований к величине защитного слоя бетона.

Несущая способность по грунту у свай-РИТ диаметром 320 мм и длиной 18.20 м достигает 200 т и более на вдавливающую нагрузку, что требует соответствующей прочности по материалу ствола сваи. В такой свае можно, соблюдая требования [4], разместить 6 рабочих стержней из арматуры класса А500С диаметром до 32 мм, что позволяет обеспечить необходимую несущую способность по материалу на участке ствола сваи, армированной стержнями мерной длины. А далее надо иметь равнопрочное стыковое соединение секций арматурного каркаса.

При вдавливающей нагрузке более 100 т ствол сваи, размещенный в грунте, всегда находится в сжатом состоянии по всему поперечному сечению. Учитывая, что часть вдавливающей нагрузки на участке сваи от низкого ростверка до верхнего стыкового соединения секций армокаркаса воспринимается грунтовым массивом [6], целесообразно в месте стыкового соединения уменьшать на соответствующую величину диаметр стержней продольной арматуры в нижерасположенной секции арматурного каркаса.

Творческий коллектив, в который вошли сотрудники фирмы РИТА и НИИЖБа, разработали конструкцию весьма технологичного стыкового соединения сжатых стержней арматурного каркаса. Согласно этому решению, все продольные стержни соединяемых между собой секций арматурного каркаса, работающего на сжимающие нагрузки, стыкуются с помощью тонкостенных трубок, заполняемых мелкозернистой бетонной смесью класса В25...В30.

Для проверки этой идеи были изготовлены опытные стыковые соединения, в которых специально утрировали возможные геометрические несовершенства стыкового соединения. Оси стыкуемых стержней сместили до половины их диаметра. Все стержни сделали разной длины, так что в каркасе только одна пара стыкуемых стержней могла соприкасаться своими торцами. Между торцами остальных стержней зазор достигал сантиметра. Торцы стыкуемых стержней сделали не перпендикулярными продольной оси и не плоскими, для чего их обрезали газовым резаком под разными углами, достигающими 450.

На приведенных фотографиях (рис. 1...4) показаны перечисленные несовершенства. Для наглядности соединительные трубки были разрезаны после испытания сухого узла (не заполненного бетоном) сжимающей нагрузкой 260 т, при которой стыковое соединение потеряло устойчивость.

По данным проведенных исследований были установлены наиболее оптимальные варианты стыкового соединения с помощью тонкостенных трубок или втулок из спирально навитой проволоки. Результаты испытаний на сжатие фрагментов разработанного узла соединения двух секций арматурного каркаса из 6 продольных стержней арматуры А500С периодического профиля диаметром 28 мм превзошли самые оптимистические прогнозы. При нагрузках 160.180 т, в зависимости от исполнения стыкового соединения, общая деформация узла составляла 1,23.1,95 мм, при расчетном сопротивлении 160,8 т.

Разрушение не замоноличенных бетоном фрагментов узла стыкового соединения происходило из- за потери устойчивости при сжимающей нагрузке 280.288 т. При испытаниях замоноличенного бетоном фрагмента узла стыкового соединения из 6 стержней А500С диаметром 28 мм полное разрушение произошло при сжимающей нагрузке 340 т. Деформация при нагрузке 180 т составила 1,19 мм, при 220 т - 1,93 мм.


Разработанное стыковое соединение оказалось весьма технологичным. После погружения нижней секции арматурного каркаса в скважину, заполненную мелкозернистой бетонной смесью, на выпуски продольных арматурных стержней надевают соединительные трубки и продолжают погружать секцию в скважину, пока соединительные трубки не заполнит бетонная смесь. Таким образом, трубками зачерпывают бетонную смесь. Затем секцию армокаркаса извлекают из скважины на 0,5...0,7 м, временно вывешивая в таком положении. Краном, копром или другим механизмом подают верхнюю секцию армокаркаса, ориентируя ее продольные стержни соосно соединительным трубкам, установленным на выпуски продольной арматуры нижней секции, затем опускают верхнюю секцию, погружая продольные стержни в соединительные трубки, заполненные мелкозернистой бетонной смесью. Избыточная бетонная смесь вытесняется из трубок входящими в них арматурными выпусками верхней секции. Смежные монтажные кольца нижней и верхней секций армокаркаса соединяют вязальной проволокой. Соединенные секции приподнимают, чтобы снять приспособление, на котором временно вывешивалась нижняя секция, после чего погружают арматурный каркас из состыкованных секций в проектное положение.

Получилась весьма удачная конструкция узла соединения армирующих стержней центрально сжатых железобетонных элементов [7], которая может найти применение в сваях-РИТ [8], а также в сваях других видов и даже в конструкциях колонн, если узел стыка разместить в зоне, где при любой схеме действия нагрузок не могут возникнуть растягивающие напряжения.

Разработчики готовы уступить права на применение узла соединения армирующих стержней центрально сжатых железобетонных элементов [7] в форме не исключительной лицензии и оказать помощь во внедрении (E-mail:mailto:info@rita.com.ru).

Бетон и железобетон, 2008 №2