Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Строительство многоэтажных зданий с монолитными безбалочными каркасами 12
1.1. История возведения многоэтажных зданий с монолитными безбалочными каркасами 12
1.2. Взаимосвязь конструкторских, технологических и организационных задач 19
1.3. Основные преимущества зданий с монолитным безбалочным каркасом 21
1.4. Основные недостатки многоэтажных зданий с монолитным безбалочным каркасом 29
1.4.1. Усадочные деформации в монолитном железобетоне 29
1.4.2. Недостатки технологии и конструкции "стандартного" стыка перекрытия и колонны 31
1.4.3. Механизация строительных площадок при возведении монолитных зданий 38
1.4.4. Контроль качества монолитного строительства 39
1.4.5. Опалубочные работы и типы опалубок 40
1.5. Выводы по главе, цель и задачи исследований 54
Глава 2 Совершенствование конструкции монолитной плиты перекрытия 58
2.1. Влияние усадки бетона на напряженное состояние плиты перекрытия 58 і
2.2. Испытание опытного фрагмента монолитного перекрытия 64
2.3. Сущность предложения монолитного безбалочного перекрытия с предварительным подъемом 74
2.3.1. Определение величины стрелы подъема перекрытия 75
2.4. Моделирование работы перекрытия с предвари тельным подъемом с применением метода конечных элементов 77
2.4.1 .Типы использованных конечно- элементных моделей 78 »
2.4.2. Нагрузки на конечно-элементные модели... 79 t
2A3. Моделирование однопролетного перекрытия 81 *
2.4.4. Моделирование многопролетных перекры- 89
ь тий с ячейками 6x6м
2.4.5. Моделирование многопролетных перекры тий с ячейками 12.yJ.2u и 8.4.x8.4м 92
2.5. Испытание опытной конструкции перекрытия с предварительным подъемом 94 '
ф 2.6. Технология возведения плиты перекрытия с предварительным подъемом 96
2.7. Выводы по главе 97
Глава 3 Совершенствование стыка колонны и плиты перекрытия 100
3.1. Испытание опытного фрагмента монолитного перекрытия 102 '
3.2. Испытание физических моделей стыков 104
3.3. Параметры металлических вставок ПО
3.3.1. Расчетная длина металлических вставок . 110
3.3.2. Расчетная толщина металлических вставок 114
3.3.3. Технология выполнения металлических вставок 115
3.4. Выводы по главе 117
Глава 4 Разработка конструктивных решений облегченных монолитных перекрытий и стен 119
4.1. Монолитное перекрытие с пустотами или вкладышами из легкого материала 119
4.2. Монолитное перекрытие с пустотообразующими вкладышами 122
4.3. Монолитное перекрытие с полосовыми вкладыша ми из легкого бетона 125
4.4. Совершенствование узла примыкания плиты перкрытияи наружной стены 128
4.5. Выводы по главе 134
Глава 5 Совершенствование технологии арматурных работ 135
5.1. Совершенствование способа соединения отдельных стержней в арматурный каркас 135
5.1.1. Устройство для связывания арматурных стержней проволокой 136
5.1.2. Устройство для связывания арматурных стержней скобами 138
5.2. Выводы по главе 142
Глава 6 Совершенствование бетонных работ 143
6.1. Совершенствование состава бетонной смеси 143
6.2. Разработка бетонных смесей для изготовления пе нобетона 147
6.3. Совершенствование технологии уюіадки бетонной
смеси и уходом за бетоном 153
6.4. Выводы по главе 158
Глава 7 Особенности контроля качества монолитных желе зобетонных зданий и сооружений 159
7.1. Особенности геодезического контроля точности возведения элементов монолитных зданий 160
7.2. Особенности контроля качества бетонной смеси . 164
ш 7.3. Особенности контроля прочности бетона в монолитных сооружениях 165
к, 7.4. Учет влажности при определении прочности бетона 170 «
7.5. Послойный контроль прочности бетона 172
7.6. Технический паспорт сооружения 176
7.7. Выводы по главе 177
Глава 8 Экономическая эффективность интенсификации монолитного строительства 179
8.1. Эффективность применения опалубки для перекрытий с предварительным подъемом 181
8.2. Эффективность применения сблокированной опалубки и приспособлений для ее монтажа 183
8.3. Эффективность использования стыка колонны и плиты перекрытия с металлическими вставками 184
8.4. Эффективность комплексных предложений при строительстве в условиях сельской местности 185
8.5. Выводы по главе 186
9. Основные выводы 187
10. Библиографический список
- Взаимосвязь конструкторских, технологических и организационных задач
- Сущность предложения монолитного безбалочного перекрытия с предварительным подъемом
- Испытание физических моделей стыков
- Монолитное перекрытие с пустотообразующими вкладышами
Введение к работе
В последние десять лет коренным образом изменились не только подходы к вопросам целей и задач строительства, но и к выбору конструктивных решений, методов технологии и организации строительства. Это в первую очередь связано с активно растущей потребностью российского общества в коренном улучшении качества жилья и общественных зданий, в необходимости научного подхода к использованию всех видов ресурсов, применяемых на стройплощадках.
Открытие в последнее десятилетие новых возможностей в проектировании и расчете конструкций с применением вычислительных комплексов и программных средств, технологических приемов и механизмов, необходимость учета не только экономических требований, но и социальных, архитектурных, градостроительных и др. привело к повышению роли монолитного строительства. В настоящее время применение монолитного многоэтажного безригельного каркаса является одним из перспективных направлений в строительстве жилья, административных зданий и других сооружений, как в России, так и за рубежом.
В Росси железобетонные безбалочные каркасы в монолите начали возводить на несколько лет ранее, чем в Европе. Из монолитного железобетона стали строить жилые и промышленные здания, мосты, гидроэлектростанции, резервуары и др. сооружения. Русские ученые с самого начала распространения монолитного железобетона в строительстве уделяли большое внимание технологическим задачам. В начале XX века были сделаны первые попытки механизации бетонных работ. В 20-х годах прошлого столетия создаются мощные строительные организации, специализирующиеся на возведении сооружений из монолитного железобетона. Объем укладываемого ежегодно монолитного железобетона в России стал достигать нескольких миллионов кубометров.
Вместе с тем, необходимость восстановления разрушенного хозяйства в кратчайшие сроки, сезонность монолитного строительства, недостаток кранового оборудования, индустриальной опалубки и механизмов для индустриальной технологии укладки бетона на стройплощадке, привели к тому, что монолитный безбалочный каркас для многих отраслей хозяйства был вытеснен в нашей стране сборным железобетоном. Сборный железобетон позволял вести работы ускоренно, круглогодично, с заводским контролем качества, с минимальными затратами на стройплощадке, но он требовал больших материальных и энергетических ресурсов. Поэтому поиск рациональных конструкций монолитных безбалочных каркасов продолжался.
Строительство жилых и общественных зданий из монолитного железобетона открывает широкие перспективы не только для создания архитектурной выразительности объекта и его индивидуальности, но и для повышения качества и долговечности сооружений, требует значительно меньших энергетических затрат (до 30%), расхода металла (до 20%), а в конечном итоге, и меньших финансовых затрат (свыше 15%).
Учитывая возможности монолитного домостроения и его преимущества, в 1987 году правительством была принята программа "Монолит-2000". Однако, при отсутствии рыночной экономики, выполнение программы осуществлялось с большим отставанием. В настоящее время, компьютеризация и информационная открытость, возможность применения современного оборудования, механизмов и материалов, наряду с самостоятельностью и возможностями строительных организаций, позволяют, совершено осознанно, без диктата чиновничьего аппарата, оптимизировать как проектные решения, так и технологическое обеспечения строительства. Именно эти обстоятельства и делают актуальными исследования, направленные на разработку новых более эффективных конструктивных решений монолитных зданий без предварительного напряже-
10 ния конструкций, на дальнейшее улучшение технологии и организации
строительства объектов из монолитного железобетона.
Возведение зданий и сооружений из монолитного железобетона на селе имеет особое значение. Удаленность места строительства от индустриальных районов с заводами выпускающими сборный железобетон обеспечивает, кроме преимуществ, указанных выше, существенный экономический эффект по транспорту и транспортным расходам.
Возможности эффективного монолитного строительства, как в городских, так и сельских условиях, с применением разработок автора, были осуществлены при строительстве жилых и общественных зданий как в городских условиях (г. Тольятти), так и в сельской местности (районные центры Камышла и Клявлино Самарской области). Преимущество монолитного строительства образовательного комплекса в селе Клявлино Самарской области, оказалось решающим в первую очередь из-за транспортной проблемы. Особенность этого строительства заключалась не только в индустриальном способе устройства нулевого цикла, использовании качественной опалубки и известных современных средств приготовления и укладки бетона, но и в системной организации труда на стройплощадке и применении значительного числа собственных, в первую очередь, конструктивных разработок. Новизна примененных автором при строительстве конструктивных, технологических и организационных разработок подтверждена патентами на изобретения и промышленные образцы, патентами и свидетельствами на полезные модели.
Вместе с тем, в монолитном строительстве имеется значительное число нерешенных задач конструктивного, технологического и организационного характера.
Из конструктивных недостатков следует отметить большую массу монолитного перекрытия по сравнению с полезной нагрузкой, сложность конструкции стыка колонны и перекрытия, малую изученность влияния
усадочных деформаций бетона на напряженное состояние перекрытия, его ползучесть, трещиностойкость и прогибы под нагрузкой.
Из технологических недостатков следует отметить относительно высокую трудоемкость опалубочных, бетонных и арматурных работ, несовершенство в технологическом плане конструкции стыка колонны и плиты перекрытия, отсутствие приспособлений и рекомендаций для устройства опалубки с предварительным подъемом и др.
Из организационных недостатков следует отметить отсутствие необходимой документации по организации и управлению строительством из монолитного железобетона с учетом территориальных и местных условий, недостаточно надежный контроль качества монолитного строительства, устаревшую форму паспортизации возведенного объекта.
Настоящей работой автор делает попытки устранить большую часть этих недостатков и сделать монолитное строительство еще более привлекательным для инвесторов в современных российских условиях.
Взаимосвязь конструкторских, технологических и организационных задач
Если вначале применения железобетона особенности сооружения определялись желаниями архитектора и возможностями ручного труда, то при современном уровне требований экономики, обеспеченности механизмами, наличия различного вида опалубки и вспомогательного оборудования, взаимосвязь архитектуры и конструктивного решения здания с технологией производства становится все более тесной. Механизированное и автоматизированное производство требует более простых решений, и архитектурная вычурность заменяется простыми формами.
Конструктивные системы каркасных многоэтажных зданий могут быть рамными, рамно-связевыми, и связевыми. Для здания с рамной системой характерно то, что все нагрузки, действующие на сооружение, воспринимаются каркасом здания. Для здания со связевой системой характерно то, что вертикальные нагрузки на здание воспринимаются каркасом, а горизонтальные нагрузки воспринимаются связями. Для зданий с рамно-связевой системой характерно то, что вертикальные и горизонтальные нагрузки, действующие на сооружение, воспринимаются совместно.
Для обеспечения конструктивного и социального качества сооружения и требований экономики, необходима комплексная увязка между собой архитектурного, конструктивного и технологического решения сооружения - опалубки; оборудования по приготовлению, укладки и уплотнению бетона; методов за уходом и контролем качества строящегося объекта; соответствующей квалификации работников. Процесс оптимизации всего комплекса вопросов в замкнутом виде на теоретической основе при большом числе неоднородных факторов пока остается разрешимым лишь в простейших случаях. Поэтому на практике используется вариантный метод проектирования технологического процесса, опирающийся на опыт предыдущих строительств и интуицию создателей нового проекта.
Разработанные теоретические основы построения прогрессивной технологии возведения полносборных зданий, изложенные в работах А.А. Афанасьева [12-15], позволяют выбрать оптимальный вариант и для монолитных сооружений. Однако при этом необходимо определить не только положительные свойства монолитного бетона, но и свести к минимуму имеющиеся недостатки.
Монолитное домостроение, базирующееся на современной технической основе, новых технологических достижениях и соответствующей организации труда позволяет повысить качество жилья с одновременным улучшением экономических показателей строительства. Так, при принятии в 1987 правительственной программы "Монолит-2000", рассчитанной для реализации в 1988-2000 году было учтено, что "...этот способ строительства требует значительно меньших материальных и физических затрат для своего развития и позволяет быстро наращивать объемы жилищного строительства... В сравнении с панельным домостроением в среднем на 40% сокращаются затраты на создание производственной базы, на 20% расход металла и на 30% расход энергетических ресурсов. " [148].
Под улучшением качества строительства подразумевается не только улучшение условий проживания и эксплуатации сооружения, но и новые возможности архитектурной выразительности и совместимости с существующим ландшафтом. Это позволяет более успешно разрешать разнообразные градостроительные задачи.
Действительно, практика строительства последних лет показывает, что на смену безликих однотипных кварталов серийных зданий, выполняемых по типовым проектам, все больше стали строиться сооружения украшающие города и поселки. Только в г. Самаре и Самарской области за 2002-2004 годы возведено более 100 000 м2 жилья и административных зданий из монолитного железобетона.
Сущность предложения монолитного безбалочного перекрытия с предварительным подъемом
При непосредственном участии автора с соавторами в работе [121] предложено новое решение конструкции перекрытия, позволяющее снизить или вовсе исключить влияние усадочных деформаций на работу конструкции.
Существо предложения заключается в том, что участки монолитного перекрытия между колоннами выполняются в виде оболочки переноса с малой стрелой подъема. После распалубки такой конструкции перемещения перекрытия равны или близки к стреле подъема и перекрытие превращается в плоское.
Как известно, при деформации оболочки с малой стрелой подъема при неподвижных опорах в ней возникает распор. Эти деформации от распора могут компенсировать деформации усадки. Если бы усадочных деформаций не было, то такая конструкция перекрытия работала бы на внецентренное сжатие. При компенсации усадочных деформаций деформациями распора, плита перекрытия испытывает в большей степени изгибные деформации.
В существующих проектах монолитное перекрытие рассматривается в виде плоской плиты. Аналогично, и при установке опалубки для бетонирования монолитного перекрытия ее выполняют как горизонтальную плоскость. Однако, в результате воздействия усилий от массы
уложенного в перекрытие бетона опалубка деформируется, придавая форму поверхности отличную от горизонтальной плоскости. Еще значительнее деформируется перекрытие от собственного веса после снятия опалубки. Способствует снижению жесткости перекрытия и проявляющиеся усадочные деформации. В результате перекрытие представляет собой соединенные "опрокинутые" оболочки с точками опирання на колоннах.
При увеличении расстояния между колоннами необходимость увеличения жесткости такой конструкции резко возрастает и использование повышенной высоты сечения монолитного бетона не приводит к желаемому результату. Именно поэтому в строительной практике редко применяют шаг между колоннами более 6м, не прибегая к специальным мерам, например, к созданию предварительного напряжения. Но и при 6 метровом шаге колонн собственная масса перекрытия, как правило, превышает полезную нагрузку.
Для моделирования по МКЭ использовался программный комплекс Лира-Windous 9.2. Для анализа работы перекрытия с предварительным подъемом использовались как однопролетные, так и многопролетные модели с различным шагом колонн - от 6.0м до 8.4м.
Конечно-элементные модели из монолитных плит перекрытия на один пролет позволили не только выявить влияние усадки на работу перекрытия, но и дали возможность сопоставить результаты натурного исследования с результатами полученными на математических моделях.
В тоже время в реальных сооружениях исключительно редко используется перекрытие, состоящее из 4 колонн и плиты, как было в испытанном опытном фрагменте и принималось при моделировании МКЭ. Поэтому с использованием МКЭ было рассчитано также монолитное перекрытие размером 18 х 24м, установленное на 20 колоннах с ячейкой 6.0 х 6.0м, 21.6 х 28.8м - с ячейкой 7.2 х 7.2м и 25.2 х 33.6м - с ячейкой 8.4 х 8.4м.
Испытание физических моделей стыков
Цель экспериментальных исследований заключалась в определении характера разрушения стыков, определения фактической несущей способности и выработке рекомендаций по их расчету и проектированию. Физические модели выполнялись в 0,5 натуральной величины из бетона класса В20 с применением арматуры класса А-Ш.
Испытания моделей осуществлялось в лаборатории кафедры железобетонных и каменных конструкций Самарского государственного архитектурно-строительного университета с привлечением аспирантов и лаборантов кафедры ЖБК. Лично автором была разработана принципиальная конструкция моделей опытных стыков, технология изготовления моделей, конструкция опалубки.
Для исследования влияния металлических вставок на работу стыка было решено испытать 4 серии физических моделей. В каждой серии было изготовлено и испытано до разрушения по 2 образца. Модели имели одинаковый размер плиты в плане 1000x1000мм, толщину плиты 90мм, колонны квадратного сечения для моделей 1; 2 и 3-й серий 200x200x410мм, колонны круглого очертания для моделей 4-й серии.
Армирование гибкой арматурой плиты выполнялось в растянутой зоне стержнями 012мм, а в сжатой - 010мм.
В 1-й серии (N1-1) арматурный каркас не имел металлических вставок. Во 2-й серии (N1-2) арматурный каркас содержал жесткую одинарную вставку. В 3-й серии (N1-3) арматурный каркас содержал по 2 вставки в каждом направлении. В 4-й серии (N1-4) арматурный каркас был аналогичен 3-й серии, но колонны были выполнены круглыми.
Изготовление физических моделей стыков из железобетона (N1) выполнялось в специально изготовленной опалубке, которая состояла из металлического каркаса и водостойкой фанеры, с нане сенным на ее рабочую поверхность облицовочным слоем. Опалубка состояла из двух частей, скрепляемых перед бетонированием болтовым соединением по диагонали плиты, что обеспечивало освобождение изделия после набора бетоном распалубочной прочности.
Для арматурного каркаса подготавливались соответствующие арматурные стержни и металлические вставки. Металлические вставки приваривались к арматурным стержням. Подготовленные жесткие вставки и арматурные стержни увязывались в пространственный каркас.
Далее монтировалась и устанавливалась в проектное положение опалубка. Поверхность опалубки покрывалась водно-масляной эмульсией. В подготовленную опалубку устанавливался и закреплялся вязанный арматурный каркас. На стержнях, подготовленных для наклейки тензодатчиков, закреплялись деревянные пробки.
По окончании всех подготовительных процессов приготавливалась бетонная смесь. Бетонная смесь по весовым частям Ц/П/Щ -1,0/1.19/2.81 с В/Ц= 0,42 включала: портландцемент М400 Вольского цементного завода; гранитный щебень фракции 5-20мм; речной песок; водопроводную воду.
Смесь готовилась в бетономешалке СБ-80. Для бетонирования одной модели делалось два замеса. Из каждого замеса готовились контрольные образцы - одна призма 100x100x400 мм и три куба 100x100x100 мм.
После укладки бетон уплотнялся штыковкой и вибратором с гибким шлангом. Следующие трое суток образец выдерживался в опалубке при нормальных условиях
Монолитное перекрытие с пустотообразующими вкладышами
В [129] представлена разработка автора, представляющая конструкцию каркасного здания с облегченными перекрытиями, в которых имеются пустотообразующие элементы или керамические или бетонные. Эта разработка также была признана изобретением.
Технической задачей изобретения является применение эффективных строительных материалов, позволяющих значительно снизить трудозатраты и сроки возведения объекта, снизить материалоемкость как самих сооружений, так и составляющих их элементов, обеспечив при этом оптимальные условия для планировки внутренних помещений и широкий выбор вариантности застройки при одной и той же элементной базе. Снизить расход арматуры и себестоимость строительства объекта, уменьшить номенклатуру элементов перекрытия, улучшить теплозвукоизоляционные свойства перекрытия и покрытия.
Поставленная техническая задача решается тем, что в предлагаемом решении каркасного здания, по крайней мере, часть колонн размещена в плане с различным шагом, а каждая плита перекрытия и покрытия выполнена в виде сборно-монолитной плиты, внутри которой установлены пустотообразующие элементы -рис. 4.2. Часть плит перекрытия и покрытия на каждом этаже, в каждом пролете выполнена в разных горизонтальных и наклонных плоскостях, причем часть плит перекрытия и покрытия выполнена с консолью. Кроме того, по край мере часть колонн размещена со смещением не более 1,5 "L" относительно выше- или нижестоящих колонн, где "L" -основной шаг колонн.
Пустотообразующие элементы в нижней части могут быть выполнены с опорными полками, например, в виде паза или гребня, а в верхней части пустотообразующие элементы могут быть выполнены, например, или с сужением кверху, или с закруглением по радиусу.
В способе возведения каркасного здания техническая задача решается тем, что после возведения колонн устанавливают опалубку перекрытий и покрытий, часть которых выполняют с консолью. На опалубку устанавливают пустотообразующие элементы с шагом, посредством которого образуют каналы, в которые укладывают арматурные каркасы. Пустотообразующие элементы устанавливают между колоннами и на консолях параллельно одной из осей здания, или под углом к ней, или по радиусу, а на пустотообразующие элементы укладывают арматурные сетки. После установки пустотооб-разующих элементов и арматуры бетонируют плиты перекрытия и покрытия.
Каркасное здание содержит фундамент, колонны, расположенные в продольных и поперечных осях, с основным шагом колонн - L. В плане часть колонн размещена с различным шагом, который рассчитывается под конкретный планировочный проект. Для сохранения достаточной жесткости монтируемого каркасного здания между колоннами устанавливаются элементы жесткости.
Каждая плита перекрытия и покрытия выполнена в виде сборно-монолитной плиты, внутри которой установлены пустотообразующие элементы. Пустотообразующие элементы, входящие в плиты перекрытия и покрытия, представляют собой блок, который может быть выполнен как полно объемным, так и с пустотами.
