Лекции и пособия / POSOBIE-po-Vysotkam_Pdf

Таблица 3.6 Заменяемые и рекомендуемые марки стали из фасонного и сортового проката для жесткой арматуры при расчетной температуре наружного воздуха до –40 0С

При применении стальных элементов в качестве жесткой арматуры, во всех случаях в сталежелезобетонных конструкциях устанавливается гибкая продольная и поперечная арматура.

Для сталежелезобетонных конструкций, включая колонны, стены, ядра жесткости и перекрытия, расчет стальных элементов (жесткой арматуры) выполняется на стадии возведения до набора требуемой проектной прочности бетона по правилам расчета стальных конструкций, а на стадии эксплуатации расчет производится по правилам расчета железобетонных конструкций с учетом совместной работы стальных элементов с монолитным бетоном в соответствии с «Руководством по проектированию железобетонных конструкций с жесткой арматурой» [52].

При использовании в колоннах каркаса высотных зданий стальных элементов в виде труб с полостью, заполненной бетоном, называемых трубобетоном, учитывается так называемый «эффект объемного напряженного состояния бетона».

3.4.1.Железобетонные конструкции колонн каркаса

истен с жесткой арматурой

Впрактике возведения высотных зданий часто применяемые типы конструкций сталежелезобетонных колонн с жесткой арматурой приведены на рис.3.24. Исследованиями установлено, что из приведенных на рис.3.24 типов жесткого армирования только жесткое армирование при помощи решетчатого сварного типа (д) обладает небольшим сопротивлением на действие поперечной силы. Поэтому в современных условиях применяется жесткое армирование колонн по типам (а)–( г).

Рис.3.24. Типы поперечных сечений сталежелезобетонных колонн с жесткой арматурой из различных стальных профилей

61

При проектировании железобетонных конструктивных элементов толщина защитного слоя бетона в соответствии с требованиями надежной защиты рабочей и вспомогательной арматуры от коррозии и огнезащиты назначается и принимается равной, соответственно: для гибкой стальной арматуры не менее диаметра арматуры и не менее 25 мм; для жесткой арматуры, расположенной внутри поперечного сечения конструкции, не менее 50 мм с обязательным армированием защитного слоя стальной сеткой. Если проектом предусматривается размещение или установка стальных элементов жесткого армирования на внешней поверхности конструктивного элемента, то выполняются инженерные мероприятия по их защите от коррозии и огнезащите, например, вся открытая боковая поверхность стального профиля защищается негорючими теплоизолирующими материалами (минеральная вата, стекловата) с последующим оштукатуриванием защищенной поверхности цементнопесчаным раствором расчетной толщиной 20 мм по стальной сетке системы «Рабица».

В качестве облицовочного слоя применяется обшивка или облицовка боковой поверхности негорючими материалами, например: два слоя гипсокартонных листов (ГКЛ, ГКЛВ), природные или искусственные облицовочные каменные материалы толщиной не менее 20 мм (гранит, мрамор, керамогранит) на цементно-песчаном растворе, без воздушного зазора с креплением облицовки на кронштейны. Конструкции железобетонных колонн высотных зданий с жестким армированием в сравнении с обычными железобетонными колоннами имеют следующие достоинства.

1)Относительно меньший размер поперечного сечения, малый собственный вес, увеличение используемого пространства. В колоннах, выполненных из железобетона с жестким армированием, несущая способность значительно повышается, и особенно возрастает сопротивляемость конструкций колонн на действие поперечной силы. Это позволяет значительно уменьшить геометрические размеры поперечного сечения несущих элементов и повысить прочностные свойства конструкций, включая повышение сейсмостойких свойств высотных зданий.

2)Более высокая пластичность и лучше свойства сейсмостойкости конструкций колонн с жесткой арматурой.

3)Высокая технологичность и скорость возведения конструкций каркаса из железобетона с жесткой арматурой, даже по отношению к колоннам, выполненным из стальных профилей.

Следует отметить ряд достоинств конструкций железобетонных колонн с жесткой арматурой в сравнении с колоннами, выполненными из стальных конструкций, которые включают следующие.

1. Бетон железобетонной колонны с жесткой арматурой (рис.3.16), расположенный в пределах внешнего контура поперечного сечения (защитный слой бетона или «внешний бетон») исключает или предупреждает изгиб стального профиля, повышает жесткость элементов и обеспечивает экономию стержневой арматурной стали.

62

2. При относительно повышенной жесткости имеют быстрое затухание колебаний (от воздействия ветровых, сейсмических и других нагрузок), а также более эффективны с точки зрения снижения и ограничения деформаций конструкций.

3. «Внешний бетон» в составе поперечного сечения сталежелезобетонных конструкций с жестким армированием способствует повышению долговечности и что особенно важно – надежному повышению огнестойкости несущих конструкций в условиях повышенных требований по огнезащите конструкций высотных зданий.

В практике высотного строительства нашли применение конструкции скрытых стальных колонн из прокатных и сварных профилей, размещаемых в составе поперечного сечения стен, диафрагм и ядер жесткости (рис.3.25). Рациональное расположение жесткой арматуры в местах пересечений стен, в составе ядра жесткости, позволяет обеспечить минимальную податливость.

Одним из актуальных вопросов при проектировании железобетонных конструкций с жесткой арматурой является обеспечение эффективного включения в совместную работу стальных профилей жесткого армирования с окружающим бетоном поперечного сечения конструкции. В отечественной и зарубежной практике совместная работа в сталежелезобетонных конструкциях из монолитного бетона обеспечивается за счет приварки анкеров и упоров к стальным профилям жесткого армирования.

Совместная работа конструктивных элементов из сборного железобетона с конструкциями из монолитного железобетона в сборно-монолитных конструкциях осуществляется путем устройства специальных шпонок; создания рифленой поверхности сорного элемента; выпусков поперечной арматурыанкеров из сборных конструктивных элементов для заделки в монолитные элементы.

Рис.3.25. План расположения элементов жесткого армирования из стальных профилей в стенах ствола ядра жесткости, выполненного из монолитного железобетона

63

3.4.2. Конструкции комбинированных колонн со стальными обоймами

С целью снижения сроков возведения каркаса высотных зданий, трудоемкости и стоимости возведения конструкций колонн, полного исключения работ по устройству опалубки колонн, повышения уровня технологии возведения конструкций колонн, в современном высотном строительстве часто применяются конструкции комбинированных колонн со стальными обоймами. Отличительной особенностью конструкций комбинированных колонн со стальными обоймами является то, что такие колонны конструируются из стальных круглых или квадратных труб, расчетных геометрических размеров, в полость которых после их установки в проектное положение укладывается свежеприготовленная бетонная смесь проектного класса бетона, не ниже В25 с тщательным вибрированием. При необходимости, перед монтажом стальных обойм производится расчетное армирование ствола колонн стержневой арматурной сталью. В практике строительства стальные обоймы называют оставляемой оснасткой, так как они не подлежат демонтажу после схватывания и набора прочности бетона, а оставляются в составе конструкции комбинированной сталежелезобетонной колонны с включением в совместную работу с арматурным каркасом из стержневой арматуры и бетона. Бетонирование высоких колонн со стальными обоймами осуществляется по технологии «снизу-вверх» при помощи подачи пластичной бетонной смеси бетононасосами через патрубок, размещаемый в нижней части стальной обоймы. Такая технология укладки бетона позволяет исключить возможность образования воздушных пустот в теле бетона. Для обеспечения требуемой огнестойкости стальной конструкции обоймы как несущего конструктивного элемента колонны боковая поверхность таких колонн защищается огнестойкими материалами при помощи оштукатуривания цементнопесчаным раствором толщиной 25-50 мм по стальной сетке «Рабица» или облицовки каменными плитками на строительном клее. Отличительной сущностью работы конструкций комбинированных колонн со стальными обоймами по отношению к обычным железобетонным колоннам является то, что когда в сжатом от приложенной нагрузки бетоне колонны образуются микротрещины, возникают продольные деформации сжатия, которые передаются на стальные обоймы. Конструкции стальных труб (обойм), в свою очередь воспринимают эти усилия и деформации и ограничивают продольные деформации бетона. Бетон в таких колоннах находится в трехосном сжатом состоянии и его прочность значительно повышается. Наличие бетонного ядра в замкнутой полости колонны способствует ограничению локального изгиба внешних обойм, что позволяет полностью использовать прочностные свойства стали обойм.

Установлено, что при всех прочих равных условиях суммарная несущая способность отдельно взятых стальных труб и бетона значительно ниже, чем фактическая несущая способность конструкции комбинированных колонн со стальными обоймами. К числу достоинств конструкций комбинированных колонн

64

со стальными обоймами в сравнении с обычными железобетонными колоннами, относятся следующие.

1.Конструкции стальных обойм колонн хорошо сопротивляются действию горизонтальных напряжений, передаваемых бетоном, а при укладке бетонной смеси в полость оболочки значительно уменьшается количество технологических процессов и стоимость работ.

2.Конструкции стальных обойм, выполняемых из круглых или квадратных труб, сами являются рабочей арматурой и выполняют функцию продольной и поперечной арматуры. Кроме того, производство стальных труб в заводских условиях более технологично, чем у стальных плоских и пространственных каркасов из арматурной стали и более пригодно для заливки бетона.

3.Стальные трубы обойм сами работают как каркас и скорость их возведения такая же, как и у стальных конструкций, но по сравнению со стальными колоннами с открытыми профилями, конструкции колонн со стальными обоймами обладают высокой огнестойкостью и жесткостью.

Конструкции комбинированных колонн со стальными обоймами, выполненными из круглых стальных труб, в сравнении с комбинированными колоннами с прямоугольными обоймами признаны более рациональными по их несущей способности; самыми экономичными конструкциями, обладающими большей архитектурной выразительностью.

3.4.3. Железобетонные балки каркаса с жесткой арматурой

Стальные профили конструкции железобетонных балок с жесткой арматурой устанавливают, монтируют и соединяют со стальными профилями сталежелезобетонных колонн, пилонов или стен-диафрагм. Наиболее распространенный вариант конструкции железобетонных балок с жесткой арматурой из стального прокатного или сварного двутавра в поперечном сечении,

3.4.4. Железобетонные стены-диафрагмы с жесткой арматурой

Элементы жесткости высотных зданий в виде стен-диафрагм выполняются с жестким армированием из стальных профилей, размещаемых, как правило, в концевых участках поперечного сечения (рис.3.27).

ных конструктивных системах способствовало условие удобного и надежного конструктивного соединения между стальными балками и стенами-диафрагмами.

3.5. УЗЛЫ СОПРЯЖЕНИЯ КОМБИНИРОВАННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ВЕРТИКАЛЬНЫХ И ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ КАРКАСА ВЫСОТНЫХ ЗДАНИЙ

При проектировании комбинированных конструкций каркасного остова высотных зданий из сталежелезобетонных элементов приходится решать комплекс инженерно-технических, архитектурно-дизайнерских и технологических задач. Наиболее сложной из них является задача обеспечения жесткого узлового соединения между конструкциями стальных профилей жесткого армирования вертикальных и горизонтальных элементов каркаса. Так, при соединении железобетонной колонны с жесткой арматурой и железобетонной балки с жесткой арматурой, обычной железобетонной балки или стальной балки, предпочтительнее всего использовать, так называемое «крестообразное соединение». Такой тип соединения позволяет обеспечить:

–условия соединения стальных конструкций в соответствии с требованиями, изложенными в [3];

–жесткое конструктивное соединение стальных элементов жесткого армирования из стальных прокатных или сварных профилей;

–условия необходимости сквозного и непрерывного пересечения продольной стержневой арматуры через узел соединения элементов каркаса;

–условия анкеровки стержневой арматуры в бетоне сталежелезобетонных конструкций колонн, балок, плит, стен, диафрагм.

Наиболее распространенные решения узловых соединений сталежелезобетонных конструкций с жесткой арматурой, при возведении каркасного остова высотных зданий приведены на рис.3.28–3.31.

В высотном строительстве практикуется применение каркаса из сталежелезобетонных колонн с внешними стальными обоймами и стальными балками из профилей (рис.3.25). Узлы сопряжения таких элементов проверяются расчетом на действие поперечных сил Q и изгибающих моментов M.

66

Рис. 3.28. Монтажные узлы соединения стальных профилей элементов жесткого армирования сталежелезобетонных конструкций колонн и балок для каркаса высотных зданий: а – сварное соединение профилей в условиях строительной площадки; б – болтовое соединение профилей в условиях строительной площадки; 1 – стальной профиль в конструкции колонны; 2 – стальной профиль в конструкции балки; 3 – сквозные отверстия; 4 – рабочая арматура из стержневой арматуры в колонне; 5 – монтажный электросварной шов; 6 – высокопрочные болты; 7 – рабочая арматура из стержневой арматуры в балке; 8 – электросварной шов, выполненный на заводе-изготовителе; 9 – фрагмент пролетной части жесткой арматуры из прокатного профиля

Рис. 3.29. Монтажный узел соединения железобетонной колонны с обычным

стиями для выхода воздуха при бетонировании; 5-отверстие в профиле колонны;

Рис.3.30. Аксонометрические схемы узлов соединения между железобетонной колонной с жесткой арматурой и железобетонной балкой с обычным армированием стержневой арматурой: а – способом, когда продольная рабочая арматура балки пересекает узел насквозь через отверстия в стенке

дольной рабочей арматуры железобетонной балки и коротких стальных балоквставок выполняется внахлестку при помощи болтовых соединений: 1 – стальной профиль жесткого армирования колонны; 2 – отверстие для выхода воздуха при

Рис.3.31. Монтажный узел стыковки между двумя колоннами по вертикали, выполненными в своей нижней части армированием с жесткой арматурой, а в верхней части – из железобетона с обычным армированием. Между соединяемыми по высоте колоннами предусматривается переходный этаж, который должен удовлетворять условиям: 1) стальной профиль жесткого армирования нижней колонны продлевается в стыке наверх на один или два этажа с переходом на меньшее сечение профиля по расчету; 2) стальные профили переходного этажа крепятся на болтовых соединениях диаметром d≥19мм, с шагом l ≥200мм и защитным слоем бетона а≥50мм

68

Рис.3.32. Монтажный узел стыковки между сталежелезобетонными колоннами со стальным профилем и стальными колоннами. Между соединяемыми по высоте колоннами предусматривается переходный этаж, который должен удовлетворять условиям: 1) стальной профиль жесткого армирования сталежелезобетонной колонны рассчитывается как стальная колонна; 2) стальные профили переходного этажа крепятся на болтовых соединениях с шагом по высоте l ≥200мм и защитным слоем бетона а≥50мм; 3) соединение крестообразных и прямоугольных стальных сечений колонн осуществлять с совмещением стенок

Рис.3.33. Поперечные сечения сталежелезобетонных конструкций колонн со

Рис.3.34. Узлы соединения между сталежелезобетонными колоннами и

Передача поперечной силы Q осуществляется в стальных конструкциях через соединительную стенку, которая приваривается к обойме из стальной трубы с несущим кольцевым ребром (рис.3.35). Передача моментных усилий M от балок на колонны осуществляется через усиливающее кольцо, вокруг стальной обоймы, которое приваривается к нижним и верхним ребрам стальной балки. В угловых, крайних и средних колоннах каркаса кольцо усиления выполняется в виде замкнутого полного кольца. Восприятие поперечной (срезающей) силы Q через несущее кольцевое ребро позволяет распределить ее равномерно по всему поперечному сечению.

а) б)

Рис.3.35.Узлы соединения между сталежелезобетонными колоннами и железобетонными балками при помощи контурного двутавра: а – двутавр в виде кольца; б – двутавр в виде конуса; 1 – ребра-стенки; 2 – верхняя кольцевая диафрагма усиливающего кольца; 3 – нижняя кольцевая диафрагма усиливающего кольца; 4 – сталежелезобетонная колонна из трубы; 5 – капитель; 6 – железобетонная платформа

В современных условиях при строительстве высотных зданий с применением сталежелезобетонных элементов каркаса в узлах соединения колонн и ригелей нашли широкое применение так называемые «круговые» или «контурные» двутавры для восприятия поперечной силы Q (рис.3.36).

С целью снижения воздействия стальных обойм на бетон, уложенный во внутреннюю полость сталежелезобетонной колонны из трубы, стенки стальных обойм не свариваются с растянутой рабочей арматурой железобетонных балок (ригелей). В этом случае соединение сталежелезобетонной колонны может осуществляться с балками через контурный бетон или капители, имеющие: прямоугольные (рис. 3.37а); круглые (рис. 3.37б) формы, не пересекающие колонны, а также балки с увеличенной шириной и рабочей арматурой балки, пересекающей колонну (рис.3.37в).

70