Кикин - Конструкции из стальных труб заполненных бетоном

Кикин А. И., Санжаровский Р. С, Трулль В. А.

Конструкции из стальных труб, заполненных  бетоном. М., Стройиздат, 1974, с. 144.

В книге содержатся данные о  конструктивных формах сталетрубобетонных стержней,  особенностях их работы под нагрузкой и способах изготовления. Приведены их  технико-экономические характеристики. Описаны результаты  теоретических и экспериментальных исследований  работы трубобетонных стержней при центральном и внецентренном сжатии. Рассматривается  влияние ползучести бетона на несущую способность стержней. Излагаются разработанные авторами практические методы расчета трубобетонных стержней на устойчивость. Даны примеры расчета.

Книга рассчитана на инженеров-проектировщиков и научных работников.

Табл. 19, ил. 58, список лит.: 158 назв.

© Стройиздат, 1974

 

ПРЕДИСЛОВИЕ

В Директивах XXIV съезда КПСС отмечается  необходимость снижения стоимости строительства, что  возможно достичь уменьшением веса сооружений, экономией стали в конструкциях, снижением трудозатрат и т. д.

Конструкции из тонкостенных стальных труб,  заполненных бетоном, эффективны в этом отношении.  Использование бетона, заключенного в трубе, повышает  прочность конструкций на сжатие в 1,5—2 раза при  сравнительно небольшом расходе стали на изготовление трубы, близком к расходу арматуры на железобетонные  конструкции.

В книге рассказывается о появлении трубобетонных конструкций за рубежом и у нас, о путях их развития, работе трубобетонных стержней под нагрузкой и  применении трубобетона в строительстве. Эксплуатация на протяжении многих лет в тяжелых условиях сооружений с трубобетонными конструкциями, например моста им. Володарского через р. Неву в Ленинграде и др.,  свидетельствует об их надежности.

Трубобетонные конструкции экономичны. Их  применение уменьшает вес сооружений в 2—3 раза,  трудозатраты в 4—5 раз, стоимость в 2—3 раза по сравнению с железобетонными. По сравнению с металлическими конструкциями при незначительном увеличении веса  достигается существенное снижение стоимости (до 40%) и уменьшение расхода стали (в 2—3 раза). Несмотря на это, использование трубобетонных конструкций  сдерживалось тем, что была недостаточно исследована работа конструкций при внецентренном сжатии, усадке и  ползучести бетона в трубе, длительном загружении и др., был мало изучен процесс заполнения труб бетоном и др.

За последние 10—15 лет исследованиями ряда  организаций и специалистов пробел в изучении работы трубобетонных стержней в значительной мере восполнен, разработаны скоростные методы заполнения труб бетоном с помощью вибрации, ликвидируется и  дефицитность стальных труб освоением специального проката труб для строительных конструкций. Этим созданы  условия для более широкого применения в СССР трубобетонных конструкций.

Большое внимание в книге уделено изложению  результатов новейших теоретических и  экспериментальных исследований, а также корректировке ранее  применяемых расчетных формул. Например, прочность трубобетонных стержней при. осевом сжатии предлагается проверять с учетом ограничения несущей способности стержней предельно возможной деформацией.

Устойчивость центрально- и внецентренно-сжатых стержней  рекомендуется проверять по методике, аналогичной для  металлических стержней, с помощью коэффициента,  определяемого в функции приведенных гибкостей стержней и приведенных эксцентриситетов приложения  продольной силы. Для центрально-сжатых стержней следует  принимать небольшой эксцентриситет, учитывающий  начальные несовершенства.

Авторы рассматривают результаты теоретических и опытных исследований влияния ползучести бетона на несущую способность трубобетонных стержней с точки зрения развития теории выпучивания в условиях  ползучести, освещают вопросы устойчивости составных трубобетонных стержней при кратковременном и длительном загружении, наконец, приводят особенности, трубобетонных конструкций, различные их системы, принципы  конструирования сооружений, их узловых соединений и стыков, методы расчета элементов, а также способы  изготовления конструкций.

В книге изложены результаты исследований,  проведенных главным образом авторами книги, причем  многие из них публикуются впервые.

Кроме указанной в списке литературы  использованы материалы научно-технических отчетов ЦНИИС, ЦНИИПроектстальконструкции, НИИЖБ Госстроя СССР, ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко, МИСИ им. В. В. Куйбышева и др.

Введение, главы I и II написаны А. И. Кикиным, В. А. Труллем и Р. С. Санжаровским; главы III и IV — Р. С. Санжаровским.

 

 

Глава I

ОСОБЕННОСТИ ТРУБОБЕТОНА И КОНСТРУКЦИЙ ИЗ НЕГО

1. Область применения трубобетона

В первых сооружениях с использованием  трубобетона применялось многотрубное армирование, при  котором несущим элементом был пакет из трубобетонных стержней малого диаметра. Примером использования многотрубных пакетов является арочный мост пролетом 9 м в восточном предместье Парижа, построенный в 1931 г. (рис. 1). Две арки этого моста состоят каждая из шести труб диаметром 60X3,5 мм, заполненных  бетоном [141].

В 1936 г. под руководством акад. Г. П. Передерия был сооружен мост пролетом 101 м через р. Неву в  Ленинграде (рис. 2) [63], в котором применена известная схема безраскосной фермы. Крупногабаритный пакет из 40 труб диаметром 140X5 мм использован в качестве верхнего параболического пояса пролетного строения.

Трубы изготовлены из малоуглеродистой стали марки Ст5. На 1 м2 поперечного сечения арки приходится 104 ж пролета, что почти в 2 раза больше, чем у других  подобных мостов [63]. Впоследствии система пакетного трубобетона не применялась из-за сложности  изготовления.

Началом широкого развития трубобетонных  конструкций следует считать появление монотрубной системы. В 40-х годах проф. В. Л. Росновский предложил  использовать в качестве конструктивного элемента мостов одну тонкостенную стальную трубу, заполненную бетоном, и в ряде проектов [71] показал ее преимущества по  сравнению с обычными решениями. Им были предложены различные конструкции мостов с применением такого  решения, а впоследствии по одному из этих предложений был построен железнодорожный мост через р. Исеть вблизи г.Каменск-Уральского (рис.3).

Главный речной пролет моста перекрыт сквозной  аркой пролетом 140 м и стрелой подъема 22 м. Высота арочных ферм на среднем участке — от 'Д до 3Д  пролета— одинакова и равна 6 м. На концевых участках  пояса очерчены по двум параболам, сближающимся к  опорным узлам. Расстояние между арочными фермами  составляет 7 м, т. е. '/го пролета. Длина панелей арки 6,083 м.

Пояса арок выполнены из труб диаметром 820Х Х13 мм, изготовленных из стали марки СтЗ,  заполненных бетоном марки 350. Трубы имеют в стыках  фланцевые соединения на болтах. Элементы решетки, т.е.  раскосы и стойки, металлические двутаврового сечения. Продольные горизонтальные связи расположены в  плоскостях верхнего и нижнего поясов арки. Поперечные связи имеются лишь в пределах высоты ферм и  расположены через панель в плоскостях надарочных стоек. 

Связи представляют собой ромбическую систему с  металлическими элементами крестового сечения. Все соединения металлических элементов пролетного строения  электросварные. Над арочные стойки изготовлены из труб,  заполненных бетоном. Учитывая большую горизонтальную жесткость проезжей части, поперечные связи между стойками не поставлены. Применение трубобетоиа в мосте на р. Исеть  снизило стоимость строительства на 20% и позволило  сэкономить 52% стали [71].

Монотрубобетонные арки успешно используются в  автодорожных мостах [35] в качестве поясов подпружных систем (рис.4,а, б). При ширине проезжей части моста 21 м затрачивается 195 кг стали на I м² ее  горизонтальной проекции, т. е. почти столько же, сколько в самых современных железобетонных  предварительно-напряженных мостах, и в несколько раз меньше, чем в  обычных железобетонных мостах аналогичных размеров, масса стали в которых достигает 675 кг/м2.

В мостовых фермах [71] для сжатых поясов из  стальных труб, заполненных бетоном, нужно в 8 раз меньше стали, чем для обыкновенных стальных. Масса ферм при этом увеличивается лишь на 14 %. Поскольку усилия в поясах от их веса составляют незначительную долю  полных расчетных усилий, увеличение последних вследствие замены части металла бетоном получается около 3% и им можно пренебречь. Конструкции сжатых поясов из труб, заполненных бетоном, в 5 раз дешевле по  сравнению с чисто металлическими. В целом сметное  удешевление мостов с пролетным строением в виде свободно  опирающихся ферм достигает 20—25%, а экономия  стали— 40—60%.

Рациональной областью применения трубобетонных стержней являются конструкции опор линий  электропередачи (рис.5). Значительное количество металла  расходуется здесь на пояса стволов и траверс, поэтому  замена сжатых поясов -трубобетонными дает большой  экономический эффект. Например, на сооружение 1 км ЛЭП напряжением 150 кВ через горный перевал в  Швейцарии израсходовано 7,5 т стали. При применении опор обычной конструкции потребовалось бы 21,5 т. 

Уменьшение стоимости трубобетонных опор по сравнению с обычными составляет 30—40% [157]. Благодаря повышенной изгибной жесткости  стальных труб, заполненных бетоном, опоры ЛЭП могут быть собраны из сравнительно небольшого числа элементов значительной длины. При этом упрощается схема  расположения стержней соединительной решетки и  конструкция узловых сопряжений. Основные раскосы опоры  могут быть предварительно напряжены растяжением и выполнены из тросов. Трубы защищают от коррозии оцинкованием и окраской.

Из промышленных сооружений, возведенных с  применением монотрубобетона, следует отметить  производственное здание на Семилукском заводе огнеупоров (рис.6), стойки рам которого выполнены из стальных труб диаметром 114X4 мм, заполненных бетоном марки 200. Масса каждой трубобетонной стойки около 2 т,  тогда как железобетонная стойка имела бы массу более 13 т. Расход металла на все трубобетонные стойки  составил 27,3 т, на железобетонные понадобилась бы 41 т металла. Стоимость стоек снизилась с 10 900 до 3050 руб. [28].

В ряде зарубежных стран в строительстве  применяются стальные трубы с бетонным заполнением. За  последние годы интерес к ним возрос во Франции [150, 151], Канаде [126], Италии [121], Бельгии, США и  других странах [124, 139, 149].

Во Франции трубобетон использован в качестве  стоек каркасов многоэтажных жилых и общественных  зданий, например в первом небоскребе в Париже — жилом доме на ул. Крулебарб [151], в административном  здании на ул. Жофре. В здании размером 24X24 м  лаборатории научно-исследовательского института в г. Ольное (рис.7) [148] колонны выполнены из труб  цилиндрической и призматической формы, заполненных бетоном: в центральной части здания колонны цилиндрические из труб диаметром 216 мм, по периметру здания колонны призматические квадратного сечения 100Х100 мм. 

Применение этой системы монотрубобетона снизило расход стали на стойки каркаса до 40%.

В Италии в Риме построена 8-этажная гостиница [121], стойки каркаса которой выполнены из трубобетона (рис.8). Стойки имеют переменное сечение,  уменьшающееся кверху.

В Бельгии при строительстве дока были  использованы фермы пролетом 13 ж с параллельными поясами,  Верхние пояса и стойки ферм выполнены из труб,  заполненных бетоном (рис.9), остальные элементы — из швеллеров и уголков. Расход стали на сжатые элементы ферм снижен на 40% [139].

При изготовлении трубобетона используются круглые цилиндрические, а также призматические (квадратные или прямоугольные) трубы. В некоторых случаях  внутри бетонного ядра устанавливается арматура: гибкая — в виде стержней или жесткая — уголки, двутавры и др. (рис.10). В нашей стране такие конструкции используют для свай, представляющих собой металлические цилиндрические оболочки диаметром 1600 мм с армированным бетонным ядром [32]. Армирование ядра позволяет уменьшить диаметр оболочки и,  поперечный габарит конструкции, что имеет большое значение [151].

Кроме строительства трубобетон применяют в  машиностроении, где таким путем достигают экономии стали до 40% [54, 65].

2. Особенности трубобетонных стержней и предпосылки к их применению

Трубобетонный стержень является комплексной  конструкцией, состоящей из стальной трубы и бетонного  ядра, работающих совместно. Такая конструкция обладает многими положительными качествами. Прочность  бетонного ядра, стесненного стальной оболочкой как обоймой, повышается примерно в 2 раза по сравнению с  первоначальной. Исследованиями [30, 77, 95] установлено, что вместо ожидаемой усадки происходит набухание бетона в трубе и его расширение, сохраняющееся на  протяжении многих лет, что создает благоприятные условия для его работы. Разбухание характерно для бетона, не только заключенного в стальную трубу, но и изолированного любым другим способом от окружающей среды, что подтверждается известными опытами О. Я- Берга с  изолированными бетонными образцами [9]. Причиной  разбухания является отсутствие влагообмена между  бетоном и внешней средой. В упомянутых опытах через 135 дней на одном из образцов была снята изоляция, что вызвало быстрое развитие деформаций усадки,  которые стали почти такими же, как и у аналогичных  неизолированных образцов. Величины усадочных  продольных деформаций изолированного образца весьма незначительны. Это является одним из преимуществ трубобетона в сравнении с  железобетоном.

Изоляция бетона от окружающей среды создает лучшие условия для работы бетона под нагрузкой. 

Эксперименты [9] показывают, что в неизолированном бетоне нагрузка вызывает более значительную деструкцию во времени, чем в изолированном. В неизолированном  бетоне развитие микротрещин все время прогрессирует, у изолированного бетона при том же напряжении оно полностью прекращается в первые 2—3 дня. В  неизолированных образцах нелинейность деформаций ползучести наблюдается в течение 20—30 суток, а в  изолированных нелинейность исчезает при аналогичных  напряжениях в первые 2—7 суток.

Заполнение стальной трубы бетоном повышает ее  противокоррозионную стойкость, защищая от коррозии ее внутреннюю поверхность, уменьшает гибкость элементов, увеличивает местную устойчивость стенок трубы,  повышает сопротивление оболочки вмятию в узлах  сопряжений и при ударных воздействиях во время  транспортирования и монтажа.

Наружная поверхность трубобетонных конструкций примерно в 2 раза меньше, чем конструкций из  профильного проката, вследствие этого у них меньше расходы по окраске и эксплуатации. На цилиндрических  поверхностях задерживается меньше ныли и грязи, являющихся активизаторами процессов атмосферной коррозии,  поэтому трубобетонные конструкции имеют повышенную  коррозионную стойкость.

Использование цилиндрических стержней в  сооружениях, подверженных ветровым нагрузкам, позволяет  снизить эти нагрузки за счет улучшения аэродинамических свойств. Стержень круглого сечения является равноустойчивым при одинаковых расчетных длинах. Жесткость на кручение такого стержня значительно выше, чем у стержней открытого профиля. При применении  трубобетонных конструкций не требуется окраски,  металлизации или герметизации внутренних поверхностей труб, что необходимо для трубчатых конструкций, не заполненных бетоном.

Трубобетонные конструкции имеют преимущества по сравнению с железобетонными. Известно, что  применение железобетонных конструкций позволяет экономить сталь на фермы до 40%, на балки до 20%, на колонны 50—70%. Однако при этом стоимость возведения  железобетонных конструкций выше, чем стальных: ферм до 40%, подкрановых балок до 55%, колонн до 35% [61].

Следовательно, замена стальных конструкций  железобетонными, давая экономию стали, ведет в ряде случаев к удорожанию сооружений. Как видно из табл. 1 и  примеров сооружений, приведенных в п. 1, замена стальных конструкций трубобетонными к такому результату не приводит.

Применяя стальные конструкции вместо  железобетонных, необходимо учитывать условия, в которых они будут находиться при эксплуатации. Обследованиями установлено, что при повышенных температурах  конструкции из железобетона с бетонами обычных марок разрушаются через 5—10 лет вследствие пересушивания бетона и дегидратации цементного камня. В агрессивных средах агломерационных фабрик в условиях воздействия мышьяковистого ангидрита были случаи разрушения конструкций за 4 года. Значительна коррозия  железобетона в цехах цветной металлургии [94]. В этих и других подобных неблагоприятных условиях с успехом можно применять трубобетон, в котором бетон защищен от  агрессивных воздействий стальной оболочкой.

Полная стоимость сооружений из трубобетона  значительно ниже стоимости аналогичных железобетонных и стальных (табл. 1). Меньшая масса трубобетонных  элементов в сравнении с железобетонными облегчает их транспортирование и монтаж. Трубобетон экономичнее железобетона из-за отсутствия опалубки, кружал,  хомутов, отгибов, петель, закладных деталей; он более  вынослив, менее подвержен механическим повреждениям. Отсутствие распределительной и рабочей арматуры позволяет получить более высококачественную укладку жестких бетонных смесей [100].

Широкое внедрение трубчатых конструкций в  строительство требует снижения стоимости самих труб, что может быть достигнуто при производстве труб из  листового проката электросварным способом. Себестоимость электросварных труб оказывается выше себестоимости сортового проката всего на 2—6% [5]. Электросварные трубы отличаются повышенной точностью толщины  стенки, диаметра, овальности и, следовательно,  удовлетворяют условиям применения в строительстве. Наиболее экономичны спиральные сварные стальные трубы, метод изготовления которых заключается в изгибании узких - стальных полос в спираль и сваривании трубы вдоль соединения спирали. По данным [128], стоимость  спиральной сварной трубы составляет 40—50% стоимости такой же бесшовной трубы.

 

...