Патент на изобретение №2201818

(54) АРМАТУРНЫЙ СТЕРЖЕНЬ ПЕРИОДИЧЕСКОГО ПРОФИЛЯ

(57) Реферат:

Изобретение относится к получению арматурных элементов, предназначенных для армирования железобетонных конструкций. Задача, решаемая изобретением, состоит в выборе оптимальной формы сердечника арматурного стержня, отвечающей требованиям эффективной эксплуатации арматурных элементов, в железобетонных конструкциях, а также являющейся технологичной для прокатки на современных проволочных станах. Арматурный стержень периодического профиля содержит сердечник и расположенные на поверхности сердечника наклонные выступы, выполненные по многозаходной винтовой линии, вершины которых ограничены окружностью диаметром, равным большей оси поперечного сечения сердечника. Поперечное сечение сердечника выполнено в виде криволинейного четырехугольника с равными противоположными сторонами, выпуклыми по большей оси поперечного сечения сердечника и вогнутыми по меньшей его оси. Выпуклые стороны сердечника образованы отрезками дуги окружности диаметром, равным большей оси поперечного сечения D, а вогнутые стороны образованы отрезками дуги окружности диаметром, равным 1,5-2,0 этой оси сердечника В, причем расстояние между вершинами углов криволинейного четырехугольника по большей оси поперечного сечения сердечника составляет 0,6-0,8 диаметра D этой оси. Изобретение обеспечивает повышенное сцепление арматуры с бетоном при повышении технологичности его изготовления. 1 з.п.ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к арматурным элементам, предназначенным для армирования железобетонных конструкций.

Известны арматурные стержни периодического профиля, содержащие сердечник с поперечным сечением круглой формы, и расположенные на поверхности сердечника наклонные выступы, выполненные по многозаходной (двух- или трехзаходной) винтовой линии, вершины которых ограничены окружностью диаметром, равным большей оси поперечного сечения сердечника [1].

Недостатками известных арматурных стержней является низкое сцепление арматуры с бетоном вследствие малой поверхности тела стержня, что обусловлено круглой формой поперечного сечения сердечника. Требования устойчивости арматурных стержней продольному скручиванию обусловливает необходимость наличия на двух продольных ребрах, которые являются концентраторами остаточных напряжений, снижающих эксплуатационную выносливость арматуры. Кроме того, при производстве арматурной стали малых профилеразмеров с сердечником круглой формы на современных проволочных станах снижается коэффициент вытяжки в чистовом калибре, а постоянная высота наклонных выступов по периметру калибра затрудняет фрезерование канавок при его нарезке на твердосплавных валковых шайбах, вызывает при нарезке и прокатке скалывание кромок канавок в местах выпуска калибров.

В качестве прототипа принят арматурный стержень периодического профиля, содержащий сердечник с поперечным сечением в форме эллипса и расположенные на поверхности сердечника наклонные выступы, выполненные по многозаходной винтовой линии, вершины которых ограничены окружностью диаметром, равным большей оси поперечного сечения сердечника (большей оси эллипса) [2]. По сравнению с арматурными стержнями периодического профиля с сердечником круглой формы овальная форма поперечного сечения сердечника увеличивает устойчивость арматурных стержней к продольному скручиванию в бетоне, а за счет увеличения поверхности тела стержня и отсутствия продольных ребер повышается эксплуатационная выносливость арматурных стержней.

Недостатком прототипа является снижение сцепления арматуры с бетоном вследствие незначительной высоты наклонных выступов. Кроме того, при производстве арматурной стали малых профилеразмеров форма эллиптического сердечника приближается к круглой форме, причем этот процесс усугубляется вследствие износа чистового калибра в процессе прокатки. Указанное обстоятельство снижает устойчивость такого арматурного стержня малых профилеразмеров к продольному скручиванию в бетоне.

Задача, решаемая изобретением, состоит в выборе оптимальной формы сердечника арматурного стержня, отвечающей требованиям эффективной эксплуатации арматурных элементов, в железобетонных конструкциях, а также являющейся технологичной для прокатки на современных проволочных станах.

Технический результат, достигаемый при использовании изобретения, состоит в повышении эксплуатационных характеристик арматурного стержня за счет улучшения сцепления его с бетоном, в том числе повышении устойчивость арматурного стержня малых профилеразмеров к продольному скручиванию в бетоне, без усложнения технологичности его производства.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в арматурном стержне периодического профиля, содержащем сердечник и расположенные на поверхности сердечника наклонные выступы, выполненные по многозаходной винтовой линии, вершины которых ограничены окружностью диаметром, равным большей оси поперечного сечения сердечника, поперечное сечение сердечника выполнено в виде криволинейного четырехугольника с равными противоположными сторонами, выпуклыми по большей оси поперечного сечения сердечника и вогнутыми по меньшей его оси, а также тем, что выпуклые стороны сердечника образованы отрезками дуги окружности диаметром, равным большей оси поперечного сечения сердечника, а вогнутые стороны образованы отрезками дуги окружности диаметром, равным 1,5-2,0 этой оси сердечника, причем расстояние между вершинами углов криволинейного четырехугольника по большей оси поперечного сечения сердечника составляет 0,6-0,8 диаметра этой оси.

Сравнение с прототипом показывает, что заявляемый арматурный стержень отличается тем, что поперечное сечение сердечника выполнено в виде криволинейного четырехугольника с равными противоположными сторонами, выпуклыми по большей оси поперечного сечения сердечника и вогнутыми по меньшей его оси, а также тем, что выпуклые стороны сердечника образованы отрезками дуги окружности диаметром, равным большей оси поперечного сечения сердечника, а вогнутые стороны образованы отрезками дуги окружности диаметром, равным 1,5-2,0 этой оси сердечника, причем расстояние между вершинами углов криволинейного четырехугольника по большей оси поперечного сечения сердечника составляет 0,6-0,8 диаметра этой оси. Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует критерию “новизна”.

Сравнение с другими техническими решениями в данной области техники показало, что известны арматурные стержни периодического профиля, высокие эксплуатационные характеристики которых обеспечиваются соответствующей сложной формой сердечника, например [3]. Однако усложнение формы сердечника таких профилей, в свою очередь, усложняет технологический процесс их производства, что при массовом изготовлении такого вида продукции снижает технико-экономические показатели работы прокатного цеха. Снижение технологичности производства таких профилей обусловлено, в частности, сложностью и высокой стоимостью инструмента для нарезки и собственно процесса нарезки чистового калибра, а также нестабильностью процесса прокатки таких профилей вследствие быстрого износа и выкрашивания (скалывания) элементов чистового калибра. Известен также профиль периодической стержневой арматуры, получаемый скручиванием в холодном состоянии из катаного профиля, поперечное сечение которого представляет собой криволинейный четырехугольник, с равными противоположными сторонами, выпуклыми по большей оси поперечного сечения стержня и вогнутыми по меньшей его оси [4]. Выполнение дополнительной операции – скручивания в холодном состоянии вдоль продольной оси безусловно снижает технологичность и повышает себестоимость производства такого профиля, снижает возможности его термоупрочнения с прокатного нагрева, что увеличивает энергозатраты на его производство. Кроме того, отсутствие поперечных наклонных выступов снижает эксплуатационные характеристики известного арматурного стержня за счет ухудшения сцепления его с бетоном. Таким образом, использование известных технических решений [1-4] не позволяет решить задач, поставленных в заявляемом техническом решении, а технический результат, достигаемый при использовании заявляемого технического решения, состоящий в повышении эксплуатационных характеристик арматурного стержня за счет улучшения сцепления его с бетоном, в том числе повышении устойчивости арматурного стержня малых профилеразмеров к продольному скручиванию в бетоне без усложнения технологичности его производства, не является суммой технических эффектов, получаемых от использования известных технических решений. Следовательно, заявляемое техническое решение имеет изобретательский уровень.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 и 2 представлен заявляемый арматурный стержень, соответственно вид сверху и сбоку; на фиг.3 – сечение по А-А на фиг.2; на фиг.4 – схема ручья калибра валков чистовой клети для прокатки этого профиля.

Соотношения геометрических параметров элементов профиля заявляемого арматурного стержня были установлены, исходя из критериев оптимальности, и экспериментально проверены при опытной прокатке на двухклетьевом стане прокатной лаборатории Института черной металлургии (ИЧМ) АН Украины. Прокатывали профили N6 и N8 из стали марки 28С. Исследования эксплуатационных характеристик образцов арматурного стержня проводились в научно-исследовательском институте железобетона (НИИЖБ) по стандартным методикам.

Исследованиями установлено, что использование заявляемого арматурного стержня позволяет существенно повысить устойчивость профиля к продольному скручиванию. Кроме того, поверхность сердечника заявляемого арматурного стержня на 3,5-8,5 больше, чем у сердечника с поперечным сечением в форме эллипса, и на 12-18% больше, чем у круглого сердечника таких же габаритных размеров.

Указанное обстоятельство значительно расширяет возможности термообработки арматурного профиля. Следует отметить, что при износе ручья чистового калибра в процессе прокатки наиболее интенсивно изнашивается дно калибра. Криволинейная выпуклая форма образующей дна ручья калибра (фиг.4) будет по мере износа приближаться к прямолинейной, при этом расстояние между вершинами углов сечения сердечника остается неизменным, а высота выступов уменьшается незначительно. Указанное обстоятельство позволяет увеличить съем металла с одного калибра без ухудшения эксплуатационных свойств арматурного профиля.

Таким образом, выполнение поперечного сечения сердечника с вогнутыми по меньшей его оси сторонами увеличивает стойкость чистовых калибров, улучшает сцепление арматурного профиля с бетоном по сравнению с эллиптической и тем более круглой формой поперечного сечения сердечника, что повышает эффективность производства заявляемого арматурного стержня. Выполнение боковых поверхностей по дугам окружности вершин наклонных выступов облегчает нарезку профильного ручья калибра на твердосплавных валках за счет плавности входа и выхода резца при фрезеровании наклонных канавок и повышает эксплуатационную выносливость арматуры за счет плавности сопряжения наклонных выступов с телом сердечника. Кроме того, одинаковый по всем направлениям габаритный размер стержня улучшает условия его использования при изготовлении армирующих металлоконструкций.

Соотношения геометрических параметров заявляемого арматурного стержня (диапазоны изменения радиуса кривизны сторон по меньшей оси сердечника и расстояния между вершинами углов криволинейного четырехугольника) определяются, с одной стороны, условиями прокатки, а с другой стороны, требованиями к сцеплению арматуры с бетоном. Так, при выполнении вогнутых сторон по меньшей оси поперечного сечения сердечника отрезками дуги окружности диаметром, меньшим 1,5 диаметра большей оси поперечного сечения сердечника D, при расстоянии между вершинами углов криволинейного четырехугольника по большей оси поперечного сечения сердечника, большем 0,8 диаметра этой оси D, в процессе прокатки не достигается максимальная расчетная величина высоты наклонных выступов. При выходе выступа на профиле из канавки в ручье калибра из очага деформации происходит искажение первоначального контура выступа за счет снятия передней кромки его вершины и подрезания основания. Выполнение вогнутых сторон по меньшей оси поперечного сечения сердечника отрезками дуги окружности диаметром, большим 2,0 D, при расстоянии между вершинами углов криволинейного четырехугольника по большей оси поперечного сечения сердечника, меньшем 0,6 D, уменьшается максимальная высота выступов, что снижает сцепление арматуры с бетоном на 12-14%. Расстояние между вершинами углов криволинейного четырехугольника по большей и меньшей осям сердечника жестко связаны между собой, так как геометрически являются сторонами прямоугольника, вписанного в окружность диаметром D. Таким образом, при заданном расстоянии между вершинами углов криволинейного четырехугольника по большей оси поперечного сечения сердечника расстояние между вершинами углов криволинейного четырехугольника по меньшей оси поперечного сечения сердечника можно определить, исходя из соотношения

где Н и В – расстояния между вершинами углов криволинейного четырехугольника по большей и меньшей осям поперечного сечения сердечника.

При уменьшении расстояния между вершинами углов криволинейного четырехугольника по большей оси менее 0,6 D (при этом расстояние между вершинами углов криволинейного четырехугольника по меньшей оси составляет более 0,8 D) уменьшается площадь наклонных выступов, что снижает сцепление арматуры с бетоном по сравнению с прототипом на 12-14%. При этом снижается также устойчивость стержня к продольному скручиванию на 3-5%.

При увеличении расстояния между вершинами углов криволинейного четырехугольника по большей оси более 0,8 D (при этом расстояние между вершинами углов криволинейного четырехугольника по меньшей оси составляет соответственно менее 0,6 D) уменьшается площадь поперечного сечения сердечника, что приводит к снижению прочности арматурного стержня на 5-7%.

Кроме того, невыполнение заявляемого соотношения сторон криволинейного четырехугольника не позволяет при прокате получить наклонные выступы с максимальной расчетной высотой без искажения их формы.

Правильность выбора соотношения геометрических параметров заявляемого арматурного стержня: диапазона изменения радиуса кривизны сторон по меньшей оси сердечника и расстояния между вершинами углов криволинейного четырехугольника подтверждается данными экспериментальной прокатки и результатами испытаний заявляемого арматурного стержня с различными вариантами геометрии профиля на примере профилеразмера N 8. Шаг выступов профиля t выбран, исходя из необходимости обеспечения равнозначности площади поперечного сечения профиля при угле подъема винтовой линии наклонных выступов , равном 50-60^o.

Таким образом, заявляемый арматурный стержень периодического профиля по сравнению с прототипом обладает увеличенными площадью и максимальной высотой наклонных выступов при той же глубине вреза канавок, что повышает сцепление арматуры с бетоном по сравнению с прототипом на 12-14%. Выполнение сердечника с поперечным сечением в виде криволинейного четырехугольника с равными противоположными сторонами, выпуклыми по большей оси поперечного сечения сердечника и вогнутыми по меньшей его оси, позволяет повысить устойчивость такого арматурного стержня малых профилеразмеров к продольному скручиванию по сравнению с прототипом в 1,3-1,8 раз. Плавность сопряжения наклонных выступов с телом сердечника, что обеспечивается выполнением сторон по большей оси сердечника по дуге окружности вершин выступов, повышает предел выносливости арматуры на 4-7%. Кроме того, указанная форма поперечного сечения сердечника арматурного стержня по сравнению с эллиптической формой поперечного сечения сердечника прототипа позволяет увеличить съем проката с ручья чистового калибра без ухудшения эксплуатационных свойств арматурного профиля, что способствует росту производительности стана в горячий час.

Подытоживая сказанное, отметим что заявляемый арматурный стержень за счет оптимизации его геометрических параметров высокоэффективен при применении в железобетонных конструкциях и вполне технологичен для условий производства такого вида продукции на современных мелкосортных и проволочных станах.

Эффективность использования заявляемого арматурного стержня складывается из следующих статей.

1. Повышение износостойкости калибров валков чистовых клетей и устойчивости процесса прокатки.

2. Повышение сроков службы железобетонных конструкций, что приводит в конечном счете к экономии закладываемого в бетон металла.

Источники информации
1. ГОСТ 5781 “Сталь горячекатаная для армирования железобетонных конструкций. Технические условия”.

2. А.с. N 1609911 (СССР), МПК Е 04 C 5/03, 1990 (прототип).

3. А.с. N 885495 (СССР), МПК Е 04 С 5/03, 1981.

Формула изобретения

1. Арматурный стержень периодического профиля, содержащий сердечник и расположенные на поверхности сердечника наклонные выступы, выполненные по многозаходной винтовой линии, вершины которых ограничены окружностью диаметром, равным большей оси поперечного сечения сердечника, отличающийся тем, что поперечное сечение сердечника выполнено в виде криволинейного четырехугольника, с равными противоположными сторонами, выпуклыми по большей оси поперечного сечения сердечника и вогнутыми по меньшей его оси.

2. Арматурный стержень периодического профиля по п.1, отличающийся тем, что выпуклые стороны сердечника образованы отрезками дуги окружности диаметром, равным большей оси поперечного сечения сердечника, а вогнутые стороны образованы отрезками дуги окружности диаметром, равным 1,5-2,0 этой оси сердечника, причем расстояние между вершинами углов криволинейного четырехугольника по большей оси поперечного сечения сердечника составляет 0,6-0,8 диаметра этой оси.

РИСУНКИ