Тема 15. УСИЛЕНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ

Общие положения

Усиление металлических конструкций может производиться после их разгружения или под нагрузкой:

– увеличением поперечного сечения отдельных элементов и узлов их соединений,

– изменением расчетной схемы конструкций.

Особенностью усиления металлических конструкций является доступность сечения по всей длине элементов и свариваемость металла, позволяющие уменьшить трудоемкость обеспечения совместной работы основного и дополнительного элементов.

Однако нагрев элементов при сварке может снижать его прочность. При температуре более 550°С металл переходит в пластическое состояние и выключается из работы по восприятию усилий. Степень снижения прочности металла в месте сварки зависит от способа и режима сварки, толщины и ширины элемента, а также от направления сварных швов. Так, для продольных швов снижение прочности составляет до 15 %, а для поперечных – достигает 40 %. Исходя из этого, запрещается применение поперечных сварных швов при усилении металлических конструкций под нагрузкой.

С целью безопасности производства работ и повышения эффективности усиления металлических элементов и узлов их сопряжений следует стремиться к максимальному разгружению конструкции перед усилением, чтобы максимальные напряжения не превышали (где – расчетное сопротивление стали по пределу текучести).

15.2. Усиление металлических конструкций
увеличением их поперечного сечения

Усиление металлических конструкций, работающих на растяжение, сжатие и изгиб, увеличением поперечного сечения элементов производится присоединением дополнительных элементов. Совместная работа дополнительных элементов усиления с усиливаемой конструкцией обеспечивается путем сварки, а также с помощью болтового или заклепочного соединения.

При выполнении усиления центрально-растянутых и сжатых металлических конструкций следует стремиться к сохранению центровки усиливаемых элементов и узлов соединений (то есть дополнительные элементы необходимо располагать так, чтобы положение центра тяжести элемента после усиления не изменялось), в противном случае, требуется проверка прочности усиленного элемента и узла сопряжения с учетом появившегося эксцентриситета.

При конструировании усиления сварные швы, болтовые и заклепочные соединения необходимо располагать в удобных для исполнения и контроля качества местах. Кроме того, при сварных соединениях следует учитывать появление дополнительных и остаточных сварочных деформаций. Например, усиление ферм следует начинать с элементов и узлов нижнего пояса, а затем производить усиление верхнего пояса.

Обеспечение совместной работы дополнительных деталей при усилении растянутых элементов производится их обязательной заводкой в узлы на расстояние, необходимое для размещения прикрепляющих швов, достаточных для полного включения в работу у границы узловой фасонки.

В качестве дополнительных элементов при усилении центрально-растянутых элементов используются, как правило, полосы и круглые стержни (рис. 15.1). При этом в случае приварки усиливающих полос к полкам и перу спаренных уголков требуется срезка выступающих концов соединительных планок.

В случае обеспечения совместной работы дополнительных элементов с усиливаемым растянутым элементом посредством сварки сварные швы рекомендуется принимать с высотой катета шва 3…6 мм (в зависимости от толщины соединяемых деталей), а швы, расположенные вблизи края элемента, следует выполнять сплошными, т.к. прерывистые швы создают многочисленные «надрезы» – концентраторы напряжений, способствующие хрупкому разрушению при растяжении.

Усиление сжатых элементов стальных конструкций производится:

– увеличением поперечного сечения элемента при незначительном изменении его гибкости,

– увеличением поперечного сечения элемента со значительным уменьшением его гибкости,

– уменьшением расчетной длины элемента без изменения поперечного сечения.

В практике усиления металлических конструкций первый метод применяется для сжатых элементов небольшой длины (коротких), когда прочность элемента определяется площадью его поперечного сечения. Два других метода усиления характерны для длинных сжатых элементов, теряющих устойчивость при разрушении.

В первом случае для усиления центрально-сжатых элементов, аналогично растянутым, в качестве дополнительных элементов могут быть использованы полосы и круглые стержни, эффективно увеличивающие площадь поперечного сечения, но незначительно изменяющие его жесткость при изгибе (см. рис. 15.1). Как и в случае растянутых элементов, дополнительные детали усиления должны заводиться в узлы сопряжения.

При усилении сжатых элементов увеличением поперечного сечения с уменьшением его гибкости в качестве дополнительных элементов используются прокатные профили в виде труб, уголков, швеллеров и т.д., развивающих сечение и эффективно повышающих его жесткость при изгибе (рис. 15.2). При этом если нет опасности потери устойчивости для сечения не усиленного элемента вблизи узла, детали усиления могут быть не заведены в узел и не прикреплены к нему. Допускается применение прерывистых швов, уменьшающих сварочные деформации, сокращающие сроки сварочных работ и массу наплавленного металла.

Рис. 15.1. Усиление увеличением поперечного сечения без изменения гибкости металлических элементов: а – из спаренных уголков; б – из спаренных швеллеров; в – из двутавров

Рис. 15.2. Усиление увеличением поперечного сечения с уменьшением гибкости
металлических элементов: а – из спаренных уголков; б – из спаренных швеллеров
и двутавров; в – сварных сплошного сечения; г – клепаных

Уменьшение расчетной длины отдельных элементов эффективно в случае, когда не обеспечена их устойчивость. Усиление сжатых элементов уменьшением его расчетной длины в плоскости стропильной фермы производится установкой дополнительных раскосов или подвесок (рис. 15.3, а), из плоскости фермы или для отдельно стоящих стоек – предварительно напряженных шпренгелей (рис. 15.3, б, в).

Рис. 15.3. Усиление стальных конструкций за счет уменьшения их расчетной длины:

а – установкой дополнительных раскосов; б, в – установкой предварительно
напряженных шпренгелей: 1 – усиливаемый элемент, 2 – дополнительные раскосы,
3 – дополнительная подвеска, 4 – предварительно напряженные шпренгели

Усиление изгибаемых металлических конструкций имеет следующие особенности:

- увеличение поперечного сечения изгибаемого элемента можно ограничивать лишь зоной действия максимальных изгибающих моментов, где усиление требуется по расчету;

- при конструировании усиления следует стремиться к наиболее эффективному размещению дополнительных деталей (на возможно большем расстоянии от нейтральной оси неусиленного сечения);

- учитывая влияние сварочных деформаций при усилении, увеличивающих прогиб, усиление изгибаемых элементов необходимо начинать с нижнего пояса, затем при необходимости следует усилить стенку, в последнюю очередь – верхний пояс.

Некоторые варианты конструктивных схем усиления стальных балок приведены на рис. 15.4 и 15.5.

Рис. 15.4. Усиление изгибаемой балочной конструкции в пролете

Рис. 15.5. Усиление стальных балок увеличением поперечного сечения с применением:

а – пластин; б – стержней; в – уголков; г – труб; д – двутавров

Усиленная стальная балка кроме условия прочности должна удовлетворять условиям общей и местной устойчивости. Повышение местной устойчивости балок достигается установкой дополнительных поперечных (рис. 15.6, а), продольных (рис. 15.6, б) и диагональных ребер жесткости (рис. 15.6, в). С целью уменьшения концентрации местных напряжений у концов коротких поперечных ребер жесткости в сжатой зоне они должны быть окаймлены продольными ребрами жесткости (рис. 15.6, г).

Повышение местной устойчивости элементов стальных конструкций может быть достигнуто также их бетонированием (рис. 15.7, а) или прикреплением к ним деревянных деталей (рис. 15.7, б, в).

Рис. 15.6. Усиление стенок стальных балок дополнительными ребрами жесткости:

а – поперечными; б – продольными; в – диагональными; г – короткими поперечными
с окаймлением их продольными ребрами жесткости

Рис. 15.7. Усиление стенок стальных конструкций: а – заполнением полости колонны бетоном; б, в – прикреплением деревянных брусьев; 1 – усиливаемая стальная
конструкция, 2 – бетон, 3 – отверстие в стенке для заполнения бетоном,
4 – деревянные брусья, 5 – стяжной болт

15.3. Расчет металлических конструкций,
усиленных увеличением их поперечного сечения

Расчет усиления стальных конструкций увеличением их поперечного сечения производится исходя из стадии напряженно-деформированного состояния и принятой гипотезы:

- по упругой стадии – сечение дополнительного элемента усиления воспринимает только усилие от нагрузок, приложенных к конструкции после усиления;

- по пластической стадии – при достижении напряжений в сечении усиливаемого элемента предела текучести происходит перераспределение и выравнивание напряжений с сечением дополнительного элемента.

Схема напряженного состояния металлической балки, усиленной под нагрузкой, приведена на рис. 15.8.

Рис. 15.8. Схема напряженного состояния балки, усиленной под нагрузкой:

а – в упругой стадии; б – в пластической стадии

Расчет усиления металлических конструкций по пластической стадии дает более экономичные решения, но не для всех случаев разрушения экспериментально подтвержден. Поэтому данный вариант расчета применяется при действии статических нагрузок на усиливаемые элементы при отсутствии опасности потери устойчивости. В остальных случаях расчет производится по упругой стадии.

Расчет усиленных центрально-растянутых и коротких сжатых элементов производится из условий прочности:

- по упругой стадии

; (15.1)

- по пластической стадии

, (15.2)

где – соответственно продольное усилие, действующее в элементе при его усилении и продольное усилие от дополнительной нагрузки, приложенной после усиления; – соответственно площадь поперечного сечения основного и дополнительного элементов; – расчетное сопротивление стали основного элемента; – коэффициент условий работы элемента конструкции по [11, приложение 4*].

Расчет усиления сжатых элементов по условию устойчивости производится с учетом того, что потеря устойчивости элемента, усиленного под нагрузкой, может произойти только для всего усиленного сечения. Поэтому в расчете используется коэффициент продольного изгиба , определенный по гибкости элемента после усиления.

Расчет усиленных центрально-сжатых элементов выполняется из условия обеспечения устойчивости

. (15.3)

Возможные искривления от сварки при проверке устойчивости допускается учитывать с помощью коэффициента условий работы .

Расчет прочности по крайнему сжатому или растянутому волокнам усиленных изгибаемых элементов производится из условий:

- по упругой стадии для крайнего волокна основного сечения на расстоянии от центра тяжести основного сечения и расстоянии
от центра тяжести усиленного сечения

; (15.4)

- по упругой стадии для крайнего волокна дополнительного сечения

; (15.5)

- по пластической стадии

, (15.6)

где – соответственно изгибающий момент, действующий в элементе при его усилении и изгибающий момент от дополнительной нагрузки, приложенной после усиления; – момент инерции поперечного сечения элемента соответственно до усиления и после усиления; – расчетное сопротивление стали соответственно основного и дополнительного элемента при растяжении или сжатии; - расстояние от центра тяжести усиленного сечения до крайнего волокна дополнительного элемента; - пластический момент сопротивления поперечного сечения усиленного элемента, принимаемый не более 1,2 упругого момента сопротивления сечения усиленного элемента.

Для усиленных изгибаемых элементов должно выполняться условие прочности на сдвиг по контакту основного и дополнительного сечения

, (15.7)

где – статический момент части сечения дополнительной детали усиления относительно нейтральной оси; – толщина основного или дополнительного элемента в месте соединения; – расчетное сопротивление стали срезу основного или дополнительного элемента.

Проверка местной устойчивости стенки балочных конструкций после усиления производится для всех отсеков между поперечными ребрами жесткости без учета начальных напряжений в ней от нагрузки при усилении по методике действующих норм.

Швы, прикрепляющие дополнительные детали усиления к основному сечению усиливаемых элементов, рассчитываются на восприятие сдвигающих усилий, равных предельным усилиям на растяжение или сжатие для дополнительных деталей усиления.

Усиление отдельных элементов металлических конструкций, имеющих погнутости, трещины, вмятины и разрывы сечений, производится, как правило, после их разгружения выравниванием, присоединением дополнительных деталей (рис. 15.9, 15.10.) или заменой поврежденной части (рис. 15.11).

Рис. 15.9. Усиление элементов стальных конструкций, имеющих повреждения,
накладками: а – из уголка; б – из швеллера с дополнительными соединительными планками; в – из пластины

Рис. 15.10. Усиление искривленных стальных элементов шпренгелем

Рис. 15.11. Восстановление элементов стальных конструкций вырезанием
и заменой поврежденной части: а – элементов из спаренных уголков;
б – элементов из одиночного уголка