В пространственном стержневом покрытии, представляющем собой систему перекрестных ферм собранных из железобетонных предварительно напряженных рам, соединенных в уровне верхнего пояса сваркой закладных деталей, а в уровне нижних поясов высокопрочными натяжными болтами (рис. 1), пропущенными через открылки внутренних анкеров [1, 2, 3, 4] распределение усилий в стойках смежных рам от нагрузок и в покрытии в целом зависит от усилия обжатия нижних стыков.
Цель исследования. Выявить экспериментально зависимость между усилием обжатия стыка и распределением усилий в стойках. Экспериментальные исследования влияния усилия предварительного обжатия стыков на работу смежных стоек проводились на плоском фрагменте (рис. 2, 3), составленном из трех рам, представляющем собой часть контурной фермы покрытия. В экспериментальных рамах отсутствовали нижние выступы, с помощью которых рамы упираются друг в друга в покрытии и вместо них был поставлен набор металлических пластин по выпадению которых контролировалось раскрытие стыка.
Рис. 1. Пространственное стержневое покрытие из предварительно напряженных железобетонных рам
Рис. 2. Плоский фрагмент покрытия перед испытанием
Уровень натяжения стыковых болтов по нижнему поясу контролировали с помощью динамометрического ключа и тензорезисторов, наклеенных на болты. Величина усилия обжатия стыков принималась равной усилию в поясах первой и второй рам покрытия. Усилие в болтах стыка № 1 составило 9,045 т, а в болтах стыка № 2 – 9,04 т. К моменту испытаний, вследствие потерь напряжения, обжатие стыка № 1 составило 8,85 т (95 %), а стыка № 2 – 8,62 т (95,7 %). Фрагмент был оперт на катковые опоры, одна из которых была неподвижной.
Рис. 3. Схема фрагмента
Для оценки трещиностойкости и несущей способность элементов рам, и работы стыков фрагмент загружался двумя домкратами в узлах верхнего пояса силами Р1 и Р2, в соотношении Р2/Р1 = 1/0 при первом загружении и в соотношении 0,7/1,0 при втором загружении.
При оценке влияния уровня обжатия стыка на работу смежных стоек узла №1 опытный фрагмент загружался только одной силой в узле № 2 до полного раскрытия стыка.
На схеме стыкового узла (рис. 4) U1 и U2 – усилия, в нижних поясах рам Р-1 и Р-2 возникающие под действием нагрузки; Uст – усилие обжатия стыка натяжными болтами; D2 – усилие в раскосе рамы Р-2; 
и 
– усилия в смежных стойках. При внешней нагрузке, равной нулю, усилие обжатия стыка составляло 8,85 т.
На основании данных испытаний построена диаграмма изменения усилий в стойках и изменения усилия обжатия стыка в зависимости от внешней нагрузки (рис. 5). По оси абсцисс откладывается испытательная нагрузка, а по оси ординат – усилие обжатия стыка Uоб. ст. и усилия в стойках 
, 
и 
.
Рис. 4. Схема нижнего стыка и усилий в нем
Из графика видно, что до нагрузки 7 т (обжатие стыка при этом составило 6,3 т или 71 % от первоначального) стойки 
и 
работали совместно. Начиная с нагрузки 7 т усилие в правой стойке возрастало интенсивней, чем в левой. Это указывает на то, что силы трения в стыке между рамами не достаточны для совместной работы стоек. Начиная с нагрузки 16 т (обжатие стыка при этом было равно 2,55 т или 30 % от первоначального усилия) и до 18,5 т усилие в левой стойке практически стабилизировалось и составляло порядка 2,0 т. Прирост усилия в стойках при дальнейшем нагружении фрагмента воспринимался только правой стойкой. При нагрузке 19,2 т (обжатие стыка составило 1,5 т или 18 % от первоначального усилия) усилие в левой стойке стало уменьшаться, и при нагрузке 21,8 т она выключилась из работы, и все усилие стала воспринимать правая стойка. Обжатие стыка при этом составило 0,45 т или около 0,05 % от первоначального значения.
Рис. 5. Диаграмма работы стоек в стыке №1
Минимальное усилие обжатия стыка, при котором левая стойка была включена в работу, равнялась 1,5 т. Суммарное усилие в стойках при этом было равно 6,4 т, причем на левую стойку приходилось 34,5 %, а на правую – 65,5 % всего усилия.
Необходимое обжатие стыка при расчетной нагрузке для обеспечения совместной работы стоек можно определить из условия его нераскрытия
, (1)
где Nст, VΣ – необходимое усилие обжатия стыка и суммарное усилие в смежных стойках при расчетной нагрузке; f – коэффициент трения в стыке; γст – коэффициент надежности работы стыка, в рассматриваемых соединениях его можно принять равным 1,1 – 1,25.
Расчетное усилие обжатия стыка, обеспечивающее совместную работу стоек, равно расчетному усилию в нижнем поясе плюс необходимое усилие обжатия стыка
, (2)
где U1 – расчетное усилие в стыке от внешней нагрузки.
В контурной ферме блока покрытия размером в плане 18×18 м максимальное суммарное усилие в стойках смежных рам будет в первом стыке и равно 8,69 т при растягивающем усилии в нижнем поясе 17,77 т (рис. 6). Общее усилие обжатия стыка при коэффициенте трения бетона по бетону 0,45 и коэффициенте надежности работы стыка γст =1,1 составит 38,78 т. Во втором и третьем стыке 34,22 т и 31,06 т соответственно.
Рис. 6. Схема усилий в элементах контурной фермы блока размером в плане 18х18 м: верхний ряд чисел – усилия в нижнем поясе фермы; средний ряд – суммарное усилие в стойках смежных рам; нижний ряд – расчетное усилие обжатия стыков
Учитывая достаточно высокое усилие обжатия первого стыка в сопрягаемых рамах должны устанавливаться усиленные анкерные втулки с толщиной стенки 10 мм
Выводы
- Совместная работа стоек смежных рам в покрытии, как и контролируемое распределение усилий в стержнях пространственного покрытия зависит от величины обжатия нижних стыков.
- Величину обжатия стыка Nст, обеспечивающую совместную работу смежных стоек рекомендуется определять при уточненном коэффициенте трения бетона по бетону по предлагаемой формуле.