Балочные сборные перекрытия

Классификация плоских перекрытий

Плоские железобетонные перекрытия являются наиболее распространенными элементами различных зданий и сооружений. Несмотря на особенности в конструкции сооружения, все плоские перекрытия могут быть приведены к двум основным типам: балочным и безбалочным. Балочные перекрытия включают в себя балки, идущие в одном или двух направлениях, и опирающиеся на них плиты. В безбалочных балки отсутствуют, а плиты этих перекрытий опираются непосредственно на колонны, имеющие в своей верхней части уширения — капители. В зависимости от способа возведения перекрытия могут быть сборными, монолитными и сборно-монолитными. В настоящее время применяют преимущественно сборные и сборно-монолитные перекрытия, отличающиеся высокой индустриальностью. Монолитные перекрытия применяются реже, главным образом, в зданиях, возводимых по индивидуальным проектам и т. п.

В последние годы находят все более широкое применение монолитные железобетонные перекрытия с использованием профилированного металлического настила, который выполняет функции опалубки и рабочей арматуры. Такие конструкции целесообразно применять в зданиях с нетиповой сеткой колонн, при реконструкции и замене перекрытий. Применение профнастила в качестве арматуры и опалубки снижает трудоемкость работ, сокращает сроки строительства, снижает высоту и массу перекрытия.

Выбор типа конструкций перекрытия производится с учетом назначения сооружения, состояния производственной базы, экономики и т. п.

Балочные сборные перекрытия

В состав балочного сборного перекрытия входят панели (плиты) и поддерживающие их балки, называемые ригелями. Ригели могут опираться на колонны (в зданиях с полным каркасом) или на внутренние колонны и наружные несущие стены (в зданиях с неполным каркасом) (рис. 9.1, а). Проектирование перекрытия включает в себя компоновку конструктивной схемы, расчет панелей, ригелей, узлов сопряжения их с колоннами, конструирование и т. п.

Рис. 9.1. Конструктивные схемы сборных балочных перекрытий:

1 — панели перекрытия; 2 — ригели; 3 — колонны

■ Компоновка конструктивной схемы перекрытия. Компоновка состоит из выбора сетки колонн, направления ригелей, типа и ширины панелей. Это делается на основании соображений технологического характера (назначения здания — производственное, жилое, общественное), значений нагрузки, обеспечения пространственной жесткости и требований экономики. При выборе сетки колонн должны соблюдаться требования типизации и унификации.

Направление ригелей может быть продольным (вдоль здания) (рис. 9.1, б) и поперечным (рис. 9.1, в). Устройство ригелей поперек здания обеспечивает его повышенную пространственную жесткость. Такое расположение целесообразно в зданиях с большими оконными проемами в продольных несущих стенах, поскольку в этих случаях на оконные перемычки не будет передаваться нагрузка от панелей перекрытия. Продольное расположение ригелей в вытянутых в плане зданиях позволяет сократить число монтажных единиц, способствует улучшению освещенности помещений и т. п.

Для выбора конструктивной схемы перекрытия разрабатывают несколько вариантов таких схем и на основании технико-экономического сравнения принимают наиболее экономичный. Наибольший расход бетона в перекрытии (около 65%) приходится на панели, поэтому разработка их рациональных решений имеет особо важное значение. Это достигается прежде всего за счет удаления возможно большего количества бетона из растянутой зоны с сохранением вертикальных ребер, обеспечивающих прочность и жесткость элемента, а также совершенствованием технологии изготовления конструкции и т. п.

■ Расчет и конструирование панелей. По форме поперечного сечения различают ребристые, многопустотные и сплошные панели.

● Ребристые панели применяют преимущественно в промышленных зданиях. Ширина панелей 1,0...1,8 м через 0,1 м, высота сечения панелей 25...35 см (рис. 9.2, а).

● Многопустотные панели, имеющие гладкие потолочные поверхности, применяют главным образом в гражданском строительстве. Наибольшее распространение получили панели с круглыми пустотами (рис. 9.2, б) шириной 1,4...2,4 м через 0,1 м, высотой сечения 20...24 см. Панели с овальными пустотами (рис. 9.2, б), несмотря на лучшие показатели по расходу материалов, менее технологичны в изготовлении и в последнее время применяются редко.

● Сплошные панели могут быть однослойные (рис. 9.2, г) и двухслойные с верхним слоем из легкого бетона; последние обладают высокими теплоизоляционными свойствами, малой звукопроводностью и применяются в чердачных перекрытиях.

Рис. 9.2. Конструкции сборных панелей перекрытия:

1 — напрягаемая арматура; 2 — расчетное сечение

Ширину плит при заданном типе и пролете назначают с учетом возможностей подъемно-транспортного оборудования таким образом, чтобы масса плиты не превышала 1,5; 3; 5 т.

Все типы панелей с точки зрения статического расчета представляют собой однопролетную балку, загруженную равномерно распределенной нагрузкой, максимальные усилия в которой будут

где q=(g+v)b'_f — полная нагрузка на 1 м плиты; g — постоянная нагрузка, кН/м₂; v — временная нагрузка, кН/м₂; b′_f—ширина панели; l₀ — расчетный пролет, равный расстоянию между линиями действия опорных реакций.

Высота сечения предварительно напряженных панелей (1/20...1/30)l₀.

После установления размеров сечения плиты, задавшись классом рабочей арматуры и бетона, выписывают их расчетные характеристики; затем производят расчет прочности плиты по нормальным и наклонным сечениям. При расчете по нормальным сечениям для ребристой плиты вводят эквивалентное тавровое сечение (см. рис. 9.2, а), а для многопустотной — двутавровое (см. рис. 9.2, б). Расчетную ширину сечений принимают равной суммарной толщине всех ребер. В ребристых панелях производят также расчет прочности верхней полки на местный изгиб. В этом случае при отсутствии поперечных ребер из полки плиты мысленно выделяют полосу шириной 100 см (см. рис. 9.2, а), расчет которой производят как частично защемленной по концам балки пролетом l=b'_f—b на действие пролетного и опорного моментов M=ql²/11. Далее выполняют расчет прогибов, трещиностойкости и проверку прочности плиты на монтажные нагрузки.

Класс бетона панелей В15...В25. Армируют панели сварными каркасами и сетками из горячекатаной арматуры периодического профиля и обыкновенной проволоки. Рабочая продольная арматура панелей без предварительного напряжения — класса A-III, предварительно напряженных — высокопрочная стержневая и канатная К-7. Сварные сетки плит укладывают в полках, каркасы — в ребрах. Монтажные петли из арматуры класса A-I закладывают по четырем углам и приваривают к основной арматуре. Швы между панелями заполняют бетоном. Длину опирания панелей на кирпичные стены определяют расчетом кладки на местное смятие и принимают не менее 75 мм для панелей пролетов до 4 м и не менее 120 мм — для больших пролетов. В целях устранения местных напряжений при опирании вышележащих стен пустоты панелей в пределах опоры заделывают кирпичной кладкой, бетоном и т. п.

■ Расчет и конструирование ригеля. Ригель балочного сборного перекрытия здания с полным каркасом представляет собой элемент рамной конструкции. В зданиях с неполным каркасом (свободное опирание концов ригеля на стены) при пролетах, отличающихся не более чем на 20%, и небольшой временной нагрузке сопротивлением колонн повороту опорных сечений можно пренебречь и рассматривать ригель как неразрезную балку. Форма поперечного сечения ригеля — прямоугольная и тавровая с полками внизу или вверху (см. рис. 4.1). Ригели l≤6 м обычно выполняют без предварительного напряжения, при l>6 м — предварительно напряженными. Бетон ригелей классов В15...В30. Ригели армируют двумя-тремя плоскими сварными каркасами.

Расчет железобетонных ригелей производят по методу предельного равновесия [12]. Сущность этого расчета заключается в следующем. При определенном значении нагрузки в опасном сечении напряжения в арматуре из мягкой стали достигают предела текучести и возникает участок больших местных деформаций, называемый шарниром пластичности. Внутренний изгибающий момент в этом сечении постоянен и равен R_sA_sz. В статически определимой конструкции, например в свободно опертой балке (рис. 9.3, а), с появлением шарнира пластичности происходит взаимный поворот частей балки, трещины раскрываются, прогиб нарастает, и балка разрушается. Иначе ведет себя статически неопределимая конструкция. Рассмотрим однопролетную балку с защемленными концами, загруженную равномерно распределенной нагрузкой q, с одинаковым продольным армированием на опорах и в пролете. Исходя из упругого расчета следует, что первые два шарнира пластичности одновременно возникнут на опорах балки (рис. 9.3, б). Нагрузку, вызывающую такое состояние, можно определить из условия q₀ = 12М_A /l².

Однако эта нагрузка еще не является разрушающей, поскольку прочность пролетного сечения осталась недоиспользованной, и балка способна воспринять дополнительную нагрузку, работая как свободно опертая конструкция с постоянными моментами на опорах. Исчерпание несущей способности наступит лишь тогда, когда в середине пролета балки напряжения в арматуре достигнут предела текучести. Дополнительная нагрузка, переводящая конструкцию в состояние предельного равновесия, определится из условия q₀l²/24+Δql²/8=q₀l²/12, откуда Δq=q₀/3. Таким образом, расчет по методу предельного равновесия позволяет вскрыть значительный резерв несущей способности конструкции по сравнению с упругим методом расчета. При этом соотношение q₀ и Δq зависит от характера нагрузки, системы армирования, вида конструкции и т. д.

Рис 9.3. К расчету неразрезного ригеля

На всех этапах нагружения должна соблюдаться известная из сопротивления материалов зависимость: сумма пролетного и соответствующих частей опорных моментов равна моментов свободно опертой балке:

Соотношение между опорными и пролетными моментами может меняться в зависимости от принятого количества арматуры на опорах и в пролетах. В соответствии с этим, назначая количество арматуры, можно планировать места образования шарниров пластичности.

Расчет с учетом перераспределения усилий позволяет стандартизировать и упростить армирование и дает экономию арматуры по сравнению с упругим расчетом до 20%. Однако при его применении должны соблюдаться следующие условия: а) в конструкции по условиям эксплуатации допускается образование трещин и шарниров пластичности; б) до полного перераспределения усилий не допускается хрупкое разрушение бетона сжатой зоны и обрыв арматуры; в) конструкция не должна разрушаться от главных растягивающих и главных сжимающих напряжений; г) в целях ограничения раскрытия трещин в пластическом шарнире величина перераспределенного (уменьшенного) момента не должна отличаться от соответствующего момента, полученного из упругого расчета, более чем на 30%; д) прогибы конструкций должны оставаться настолько малыми, чтобы геометрия конструкции не изменилась.

Благодаря своим преимуществам (простоте, надежности и т. п.) метод предельного равновесия получил широкое распространение в расчетах широкого класса статически неопределимых железобетонных конструкций (рамы, плиты, опертые по контуру, безбалочные перекрытия, тонкостенные пространственные покрытия и т. п.).

Расчет ригеля производится в такой последовательности. Вначале устанавливают расчетную схему в виде двух — пятипролетной неразрезной балки. Расчетный пролет принимают равным расстоянию между осями колонн, а в крайних пролетах — расстоянию по линии действия опорной реакции на стене до оси колонны. Подсчитываются постоянные g и временные v погонные нагрузки на ригель g=g₁l_sup+g₂, v = v₁l_sup, где g₂ — нагрузка от собственного веса ригеля, g₂ = bhγ; h = (1/10... 1/15)l; b = (0,3...0,4)h, l_sup — ширина грузовой полосы ригеля, равная пролету панели; g₁ и v₁ — нагрузки на единицу площади перекрытия.

Затем как для упругой неразрезной балки находятся моменты и поперечные силы от постоянной нагрузки g и временной нагрузки v при невыгодных расположениях последней по длине ригеля:

где α, β, γ, δ — табличные коэффициенты для определения М и Q [24].

При расположении временной нагрузки через один пролет получают максимальные моменты в загружаемых пролетах, при расположении временной нагрузки в двух смежных пролетах и далее через один получают максимальные по абсолютной величине моменты на опоре (рис. 9.3, в). По полученным эпюрам М и Q строят объемлющие эпюры и производят перераспределение усилий.

Особенно целесообразно допускать образование пластических шарниров на опорах, что дает возможность упростить конструкцию стыков и получить экономию арматуры. В этом случае перераспределение усилий сводится к добавлению к эпюрам, на которых опорные моменты имеют максимальные значения, треугольных эпюр (рис. 9.3, г); при этом минимальное значение «перераспределенного» опорного момента должно быть не менее 70% от полученного по упругому расчету.

Задаваясь классами бетона и арматуры и шириной сечения ригеля, находят высоту его сечения по моменту M_f на грани колонны:

где 1,8 — коэффициент, соответствующий значению а_m = 0,289 (ξ = 0,35), при котором сечение ригеля является наиболее экономичным; M_f=M—Q/h_col/2; M — изгибающий момент по оси опоры. Тогда полная высота сечения h=h₀+а. Полученные размеры округляют в соответствии с требованиями унификации.

Далее производят подбор сечений продольной арматуры в расчетных сечениях — в пролетах и на опорах, выполняют расчет наклонных сечений, строят эпюру материалов и определяют места фактического обрыва продольной арматуры в целях ее экономии (см. § 4.3); производят расчет по второй группе предельных состояний и на монтажные нагрузки.

■ Проектирование и расчет стыков ригеля с колонной. Для обеспечения неразрезности ригеля и пространственной жесткости сооружения стыки ригелей выполняют, как правило, жесткими и рассчитывают на восприятие изгибающего момента и поперечной силы. Их размещают непосредственно у боковой грани колонны; при этом ригели обычно опираются на выпущенные из колонны консоли. Стыки с консолями (рис. 9.4, б) удобны в монтаже, могут воспринимать значительные усилия, однако ухудшают интерьер помещений; применяют их преимущественно для промышленных зданий. Стыки со скрытой консолью (рис. 9.4, в) усложняют конструирование опорных частей ригеля; применяют их, главным образом, в гражданских многоэтажных зданиях связевой системы. Бесконсольные стыки (рис. 9.4, г) применяют в промышленных зданиях с повышенными требованиями к интерьеру.

Действующий в стыке опорный момент вызывает растяжение верхней части сечения и сжатие нижней (рис. 9.4, а). Растягивающие усилия во всех типах железобетонных стыков воспринимаются стыковыми стержнями (или пластинами), привариваемыми к закладным деталям или верхней арматуре ригелей. Стержни могут быть заранее забетонированы в колонну и иметь выпуски (рис. 9.4, б, г) или заводиться на монтаже в специально оставленные в колонне отверстия. Сжимающие усилия в нижней части ригеля могут передаваться через бетон, укладываемый в полость стыка (стык с обетонированием), или через сварные швы между стальными закладными деталями ригеля и консоли (необетонированный стык).

Рис. 9.4. Стыки ригелей с колоннами:

1 — ванная сварка; 2 — стыковые стержни; 3 — вставка арматуры; 4 — бетон омоноличивания; 5 — монтажный сварной шов; 6 — закладные детали; 7 — накладка «рыбка»

Расчет стыка, изображенного на рис. 9.4, б, состоит из расчета стыковых стержней и опорной консоли. Расчетное растягивающее (сжимающее) усилие в стыке N = M_f/z, где z — плечо внутренней пары сил, равное в стыке с обетонированием расстоянию от центра тяжести сжатой зоны бетона, заполняющего полость, до центра тяжести сечения соединительных стержней (рис. 9.4, а); в стыке без обетонирования — расстоянию между центрами тяжести верхней и нижней арматуры ригеля.

Площадь сечения стыковых растянутых стержней

Наименьший вылет опорной консоли с учетом зазора t между торцом ригеля и гранью колонны

где Q — опорное давление ригеля на консоль; b — ширина ригеля.

Конструкция короткой консоли (l≤0,9h₀) у грани колонны (рис. 9.4, д) должна отвечать условию, обеспечивающему прочность бетона по наклонной сжатой полосе между грузом и опорой:

но не более 3,5 R_btbh₀ и не менее Q, определенной согласно (4.47), где l_b — расчетный размер бетонной полосы, определяемый по формуле l_b = l_supsinθ + 2acosθ; l_sup — длина площадки передачи нагрузки вдоль вылета консоли; φ_w2 — коэффициент, учитывающий влияние поперечной арматуры, φ_w2 = l + 10αμ_w,

Площадь сечения верхней продольной арматуры консоли подбирают по изгибающему моменту на грани колонны, увеличенному на 25% вследствие повышенной ответственности узла:

Короткие консоли рекомендуется армировать горизонтальными или наклонными (под углом 45° к горизонтали) стержнями. Шаг стержней должен быть не более h/4 и не более 150 мм.

Стык со скрытой консолью колонны и подрезкой ригеля на торцах (рис. 9.4, в) рассматривают как шарнирный, поскольку стальная накладка, приваренная на монтаже, обеспечивает восприятие лишь небольшого изгибающего момента ≈55 кН∙м. Расчет таких стыков производят по поперечной силе для наклонного сечения ригеля, начинающегося в месте подрезки.

Поперечные стержни и отгибы, установленные у конца подрезки, должны удовлетворять условию

где Q₁ — поперечная сила в нормальном сечении у конца подрезки; h₀₁, h₀ — рабочая высота сечения ригеля в подрезке и вне ее.

Поперечные стержни, необходимые для обеспечения прочности наклонного сечения в подрезке, следует устанавливать на длине не менее l₁ = Q₁\q_w+s (рис. 9.4, в). При этом продольная арматура в короткой консоли, об­разованной подрезкой, должна быть заведена за конец подрезки на длину не менее l_аn и не менее l₂

где A_sw — площадь сечения дополнительных поперечных стержней, проходящих у конца подрезки и не учитываемых при определении интенсивности поперечных стержней у подрезки; q_wl=R_sA_sw/s; а₀ — расстояние от опоры консоли до конца подрезки; d₀ — диаметр обрываемого стержня.