Усиление балок и прогонов

Конструктивные решения усиления

Одним из наиболее простых способов усиления изгибаемых стержневых конструкций является подведение под них жестких или упругих опор. Этот способ рекомендуется, если дополнительные опоры не препятствуют технологическому процессу.

Жесткие опоры могут располагаться на отдельных или существующих фундаментах. Последнему следует отдавать предпочтение, даже если это потребует усиления фундаментов. Дело в том, что при дополнительных фундаментах трудно избежать осадок опор и, как следствие, их плохого включения в работу усиливаемой конструкции. В качестве контрмеры рекомендуется предварительное обжатие грунта под фундаментом усилием, равным расчетной нагрузке.

На рис. 10.19 и 10.20 приведены примеры усиления балок и ригелей подведением жестких опор, которые могут выполняться как в металле, так и в железобетоне. Важным моментом при таком усилении является включение элементов усиления в работу усиливаемой конструкции. Это достигается путем установки клиновидных прокладок, подъемом усиливаемой конструкции с помощью горизонтально расположенных домкратов, натяжением металлической затяжки посредством натяжной муфты и другими способами.

Рис. 10.19. Усиление балки подведением жесткой опоры:

1 ― усиливаемая балка: 2 — дополнительный фундамент; 3 — колонна усиления; 4 — болты

Дополнительные упругие опоры под усиливаемые изгибаемые элементы обычно выполняют в виде металлических балок или ферм, которые устанавливаются с некоторым зазором под конструкцией на общие с ней или отдельные опоры. В зазоре располагают металлические прокладки или распорные болты. Включение дополнительных опор в работу осуществляется различными способами: подтягиванием опорных концов балок (ферм) к усиливаемой конструкции, расклинкой косых прокладок, распорными болтами и т. п.

Рис. 10.20. Усиления ригеля жестким порталом:

1 — усиливаемый ригель; 2 — жесткий портал; 3 — металлический бандаж

В качестве упругих дополнительных опор могут быть также рекомендованы гибкие тяжи, подвешиваемые к вышележащим конструкциям, если они не препятствуют технологическому процессу. Натяжение тяжей осуществляется с помощью гаек и натяжных муфт или электротермическим способом.

В исключительных случаях, когда конструкции находятся в критическом состоянии и возможно их разрушение (полное или частичное) без нагрузки, а также если существующие конструкции не позволяют обеспечить габариты помещений по требованиям новой технологии, рекомендуется произвести полную разгрузку или замену конструкций. Необходимо отметить, что эта работа требует наиболее существенных материальных и трудовых затрат и должна быть соответствующим образом обоснована.

Разгружающие конструкции в виде отдельных балок, ферм, плит, а также комбинированных систем из железобетона и металла применяются обычно для разгрузки небольших участков перекрытий, когда не требуется устройство дополнительных колонн и фундаментов.

Рис. 10.21. Усиление балки и плиты перекрытия металлическими балками сверху:

1 — разрушаемая балка; 2— металлическая балка; 3 — ребра жесткости; 4 — тяжи; 5 —планка; 6 — опорные листы; 7 — опорные подушки

При возможности разгружающие конструкции следует устанавливать сверху разгружаемых (рис. 10.21, 10.22), обеспечивая между ними зазор для свободного прогиба элементов усиления. Если это невозможно по технологическим причинам, разгружающие конструкции подводят или подвешивают снизу. В этом случае передача нагрузки осуществляется с помощью стоек, пропущенных через отверстия, в разгружаемом перекрытии (рис. 10.23).

При частичном разгружении конструкции снимают с существующей только часть нагрузки. В этом случае элементы усиления могут иметь контакт с существующими конструкциями по всей длине или в отдельных точках (рис. 10.24).

При применении разгружающих конструкций, не замоноличенных с усиливаемой, их расчет осуществляется как отдельных самостоятельных элементов или они рассматриваются как элементы общей системы, усилия в которых определяются по правилам строительной механики.

Рис. 10.22. Разгружение монолитной железобетонной плиты ребристой железобетонной плитой:

1 — разгружаемая плита; 2 — конструкция усиления; 3 — элементы крепления; 4 — ригель; 5 — прокладки

При применении полного разгружения существующих конструкций между ними и новыми разгружающими конструкциями должен быть обеспечен зазор, который превышает максимальный прогиб для металлических конструкций усиления в 1,5 раза, для железобетонных — в 2 раза.

При частичном разгружении с помощью конструкций, которые соприкасаются с усиливаемой конструкцией по всей длине или устанавливаются рядом, усилия в изгибаемых элементах распределяются пропорционально жесткостям:

M₁/B₁ = M₂/B₂, (10.3)

где В₁ и М₁ — соответственно жесткость и момент, воспринимаемый существующей конструкцией; В₂ и М₂ — то же, элементами усиления.

Рис. 10.23. Разгружение плиты перекрытия системой металлических балок снизу:

1 — усиливаемое перекрытие; 2 — разгружающая балка (главная); 3 — стойка; 4 — разгружающие балки; 5 — колонны; 6 — обоймы усиления; 7 — дополнительное оборудование

В усиленной конструкции сначала определяют нагрузку, которая воспринимается существующей конструкцией, затем на дополнительную нагрузку подбирают сечение конструкции усиления. При этом пропорционально жесткостям распределяется только та часть нагрузки, которая была приложена после усиления. Если разгружающая конструкция соприкасается с усиливаемой не по всей длине, а в отдельных точках (например, через прокладки), то распределение по жесткостям осуществляется при количестве точек опирания не менее 8 (в том числе и на опорах), а расстояние между опорами не превышает трех высот любой из двух конструкций. Полный момент в комплексной конструкции равен сумме двух моментов: М=М₁+М₂, где М₁ и М₂ — соответственно моменты, воспринимаемые существующей конструкцией и конструкцией усиления. В частично разгружаемой железобетонной конструкции расчет по наклонному сечению на всю нагрузку производится только для элементов усиления.

Рис. 10.24, Частичная разгрузка металлическими балками снизу:

1 — усиливаемая балка; 2 — балки усиления; 3 — тяжи; 4 — упорная пластина

До усиления конструкций жесткими дополнительными опорами необходимо проверить общую деформацию от максимальных ожидаемых нагрузок в местах примыкания к усиливаемой конструкции. Во избежание деструктивных изменений в существующей конструкции эта деформация не должна превышать максимальный прогиб усиливаемой конструкции без дополнительных опор более чем на 10%. При подведении жестких опор усиливаемую конструкцию следует максимально разгрузить.

Расчетные усилия в изгибаемых элементах, усиленных жесткими опорами, определяются как сумма усилий, подсчитанных для двух стадий работы конструкций: до усиления (при этом принимается первоначальная расчетная схема) и после усиления (расчетная схема принимается с учетом дополнительных жестких опор).

Расстояния между опорами следует назначать такими, чтобы суммарная эпюра моментов ни в одном сечении не выходила за пределы эпюры материалов. В том случае, если над дополнительной опорой возникает отрицательный момент, превышающий допустимый, и возможно образование нормальных трещин, балку следует рассматривать как разрезную с шарниром в месте опоры.

В связи с тем что наличие нормальных трещин может снизить несущую способность балки по наклонному сечению, необходимо предусмотреть достаточную площадь ее опирания на дополнительной опоре.

При усилении изгибаемых элементов упругими дополнительными опорами их расчет, как и при жестких опорах, осуществляется для двух стадий, а найденные из статических расчетов усилия суммируются. Расчет по второй стадии системы «балка — упругие опоры» основан на равенстве прогибов усиливаемого элемента и упругой опоры в месте их соединения. В качестве расчетной схемы принимается балка на упругоподатливых опорах, усилия в которой определяются по уравнениям пяти моментов при известных жесткостных характеристиках опор. Эти характеристики можно найти, выполнив статический расчет всей конструкции, дополнительной опоры и установив ее перемещение от единичной силы, приложенной в точке установки опоры. В случае установки нескольких дополнительных опор жесткостные характеристики определяются для каждой из них.

Усилия в дополнительных опорах вычисляют по выбранной расчетной схеме с учетом нагрузок, прикладываемых к конструкции, и реакций в местах установки упругих опор.

При устройстве дополнительных жестких и упругих железобетонных опор рекомендуется учитывать возможное перераспределение усилий в усиливаемой конструкции в связи с деформациями ползучести, которые снижают жесткостные характеристики опор. Этот учет производится в соответствии с положениями СНиП 2.03.01—84 при учете воздействия длительных статических нагрузок.

Усиление сжатых зон изгибаемых (и внецентренно сжатых) элементов возможно осуществлять торкрет-бетоном толщиной до 30 мм, который наносится на очищенную и промытую бетонную поверхность старого бетона, обернутую сеткой с ячейкой 30...60 мм из проволоки диаметром 1...2 мм, прикрепленной к конструкции дюбелями с помощью строительного пистолета. При тщательном соблюдении перечисленных рекомендаций обеспечивается надежное сцепление «нового» и «старого» бетона, в результате сечение конструкции и, как следствие, ее несущая способность увеличиваются. Более существенного повышения несущей способности элементов возможно добиться увеличением площади сечения арматуры (наращивание сечения). Если по расчету требуется незначительное увеличение сечения арматуры (2...4 стержня), осуществляют подварку новой арматуры к существующим стержням боковых каркасов. Для этого скалывают защитный слой, оголяют арматуру и приваривают к ней прерывистым швом коротыши диаметром 10...40 мм, длиной 50...200 мм с шагом 200...1000 мм—для растянутых стержней и не более 20 диаметров продольной арматуры, но не более 500 мм — для сжатой (рис. 10.25). К коротышам приваривают дополнительную продольную арматуру, которую допускается применять тех же классов. При арматуре класса Ат-V и выше из высокопрочной проволоки и канатов, а также при сильной коррозии арматуры применение сварки не допускается и усиление конструкций методом наращивания не рекомендуется.

После установки дополнительной арматуры производится ее торкретирование или заделка цементной штукатуркой, при этом размер сечения элемента увеличивается на 20...80 мм. При большей толщине наращивания применяют вертикальные и наклонные соединительные элементы.

Для увеличения сцепления старого и нового бетона на поверхности усиливаемого элемента перед наращиванием выполняют насечку, которую тщательно очищают от пыли и грязи водой под давлением. Минимальный диаметр арматуры при наращивании — 10 мм. При необходимости более мощного усиления устраивают наружные уголковые полуобоймы.

Для совместной работы с железобетонной конструкцией металлоконструкции усиления должны быть обязательно приварены к существующей арматуре. С этой целью угловые стержни арматурного каркаса оголяются на ограниченных участках длиной 6...12 см с шагом 60...120 см (рис. 10.25,6). К арматуре приваривают короткие арматурные стержни, диаметр которых принимают таким, чтобы они были заподлицо с наружным» гранями сечения. Затем к коротким прокладкам приваривают планки обойм, плотно прилегающие к телу бетона. Обоймы из уголков приваривают непосредственно к соединительным планкам обойм.

Рис. 10.25. Усиление балок полуобоймами:

а — добавление стержневой арматуры; б — усиление наружной уголковой обоймы, приваренной к существующей арматуре; в — деталь приварки уголка с помощью диагональных ребер из листовой стали; 1 — сварные швы; 2 — добавочная арматура усиления; 3 — усиливаемый элемент; 4 — сколотый бетон защитного слоя угловых стержней с последующим его восстановлением; 5 — защитное покрытие из перхлорвинилового лакокрасочного материала; 6 — поперечные стержни крайних сварных каркасов; 7 — стержни — прокладки-коротыши; 8 — угловые стержни крайних сварных каркасов; 9 — соединительные планки обоймы; 10— боковые листовые прокладки; 11 — уголки обоймы; 12— пространство, заполненное цементным раствором; 13 — листовая диагональная прокладка

Прокладки-коротыши могут быть заменены диагональными ребрами из листовой стали (рис. 10.25, в). Зазоры между ветвями обоймы и телом бетона заполняют цементным раствором состава 1 : 2 или 1 : 3 на расширяющемся или безусадочном цементе, затем элементы усиления покрывают перхлорвиниловой эмалью по грунту под цвет конструкции.

Так как свариваемые стали (арматура и профильный металл) имеют разные марки, сварку производят электродами Э42А-Ф или 350А-Ф.

Рис. 10.26. Усиление балки «рубашкой»:

1 — усиливаемая балка; 2 —рабочая арматура; 3 — хомуты; 4 — стяжка; 5 — насечка; 6 — монтажная арматура «рубашки»; 7 — «рубашка»

Усиления добавлением арматуры, а также в виде обойм иполуобойм можно рекомендовать также при обнаружении ошибок в армировании, допущенных при изготовлении конструкций, или занижении проектного класса бетона.

Распространенным способом усиления изгибаемых железобетонных элементов является устройство «рубашек» — незамкнутых с одной стороны обетонок. Этот способ рекомендуется при усилении балок ребристых перекрытий и т.п. (рис. 10.26).

Особенности расчета

Расчет железобетонных изгибаемых элементов, усиленных обоймами, «рубашками», наращиванием, выполняется как для монолитных. Различного рода дефекты в усиливаемой конструкции (коррозия арматуры, расслоение бетона и др.) учитываются так же, как и при расчете конструкции до усиления.

В связи с тем что усиленный элемент может иметь в одном сечении различные классы бетона и арматуры, расчет изгибаемых элементов по нормальным сечениям производится по общему случаю расчета железобетонных конструкций в соответствии со СНиП 2.03.01—84.

При наличии двойной арматуры как в существующей конструкции, так и в элементах усиления нормальные сечения изгибаемого элемента, нагруженного внешней силой, расположенной в плоскости оси симметрии, возможно рассчитывать в зависимости от соотношения фактической величины относительной высоты сжатой зоны бетона ξ и ее граничного значения ξ_R, определяемого по СНиП 2.03.01—84. При подсчете |я принимается, что предельное состояние в конструкции достигается одновременно с достижением в растянутой арматуре расчетного сопротивления, принятого в соответствии со СНиП 2.03.01—84, но без учета коэффициента γ_s6.

При подсчете ξрабочая высота сечения h_o,red принимается равной сумме расстояния от сжатой грани сечения до центра тяжести (ц. т.) (рис. 10.27) существующей растянутой арматуры h_o и расстояния от ц. т. существующей арматуры до центра тяжести арматуры усиления a_red.В случае расположения в сжатой зоне бетона разных классов при определении ξи ξ_R в расчетах принимается расчетное сопротивление бетона более низкого класса. При различных классах арматуры в существующей конструкции и элементах усиления их расстояние от центра тяжести определяется с использованием приведенной площади сечения:

где A_S,red и A'_s,red — приведенная площадь сечения в растянутой и сжатой арматуре; A_s и А'_S — площади растянутой и сжатой арматуры существующей конструкции; A_s,ad и A'_s,ad — то же, элементов усиления; R_s и R_s,ad — расчетные сопротивления растяжению существующей

Рис, 10.27. Расчетная схема усиления обоймами

арматуры и стержней усиления; R_sc и R_sc,ad — то же, сжатию. При этом

где h_o,ad — расстояние от сжатой грани усиленного элемента до центра тяжести растянутой арматуры элемента усиления (см. рис. 10.27).

Относительная высота сжатой зоны

где b— ширина усиленного элемента.

Расчет прочности усиленного сечения:

М ≤ R_b,red bх (h_0,red - 0,5х) + R_sc A_sc,red (h_0,red — а'), (10.8)

где х — высота сжатой зоны бетона; а' — расстояние от сжатой грани бетона усиленного элемента до центра тяжести сжатой арматуры усиления.

Приведенное расчетное сопротивление сжатой зоны бетона

R_b,red = (R_b А_b + R_b,ad A_b,_ad)/A_b,tot, (10.9)

где R_b — расчетное сопротивление бетона существующей конструкции при сжатии; R_b,ad — то же, элементов усиления; A_b — площадь сжатой зоны усиливаемого элемента; A_b,ad — то же, усиливающего элемента; A_b,tot = A_b + A_b,ad — суммарная площадь сечения сжатой зоны усиленного элемента.

Полная высота сжатой зоны бетона составляет х = х₁ + х₂, где х₁ — высота сжатой зоны бетона, которая находится в усиливаемом элементе; х₂ — то же, в усиливающем. Соответственно площади бетона составляют A_b = [b - (a_rin+ a'_rin )]x_i; A_b,ad= bx - A_b, где a_rin и а'_rin — ширина обоймы наращивания.

Если сжатая зона находится в пределах бетона усиления, R_b,red принимают равным R_b,ad и уточняют новую высоту сжатой зоны бетона.

Высота сжатой зоны бетона

Необходимую площадь дополнительной растянутой арматуры определяют из совместного решения уравнений (10.8) и (10.10) по формуле

При отсутствии сжатой арматуры в существующей конструкции и элементе усиления:

Как и обычные железобетонные изгибаемые элементы, усиливаемые конструкции рекомендуется проектировать при соблюдении условия x ≤ ξ_R h_o,red. Если площадь растянутой арматуры по конструктивным соображениям или по расчету принята большей и x > ξ_R h_o,red , то допускается производить расчет по формуле (10.8), вычислив высоту сжатой зоны по формуле

σ_sp — предварительное напряжение в арматуре до обжатия бетона (при натяжении на упоры) или в момент снижения напряжения обжатия в бетоне под воздействием внешних фактических или условных сил. Величина σ_Sp определяется по СНиП 2.03.01—84 при γ_sp>0. При отсутствии предварительного напряжения в формулах (10.18), (10.19) третье слагаемое в знаменателе отсутствует. При вычислении σ_s и σ_s,_ad значения ξ и ξ_R определяют по тому классу бетона, в котором расположена соответствующая арматура.

Дополнительную растянутую арматуру определяют в этом случае также по формуле (10.11) при следующих значениях А и В:

При усилении изгибаемых элементов прямоугольного и таврового сечения наращиванием только сверху высоту наращивания х₂ определяют из условия, чтобы площадь имеющейся растянутой арматуры была достаточна для воспринятия максимального момента. При однорядном расположении арматуры только в растянутой зоне

Если высота сжатой зоны бетона меньше высоты наращивания, R_b,red в формуле (10.23) принимается равным R_b,ad; если больше, то R_b,red определяют по формуле (10.9).

При усилении тавровых железобетонных сечений наращиванием снизу и сверху расчет при соблюдении условия ζ < ζ_R производят в зависимости от положения границы сжатой зоны (рис. 10.28).

При прохождении нейтральной оси в полке, т. е. при

R_s A_s,red ≤ R_b,red b'_f h'_f + R_sc A'_s,red,

расчет производят как для элемента прямоугольного сечения шириной b'_f. При расположении границы сжатой зоны в ребре расчет прочности производят по формуле

Площадь дополнительной арматуры определяют по формуле (10.11), где

Рис. 10.28. Схема усилий и эпюра напряжений в сечении, нормальном к продольной оси изгибаемого элемента, усиленного двусторонним наращиванием, при расчете его на прочность: а— при расположении сжатой зоны в полке; б— то же, в ребре

Пример расчета усиленного изгибаемого элемента. Дано: размеры сечения b = 0,3 м, h = 0,8м, бетон усиливаемого элемента класса В25 (R_b = 14,5 МПа), высота наращивания x₂ = 0,1 м; бетон усиления класса В30 (R_b = 17 МПа); h₀ = 0,65 м; h_о,ad = 0,77 м, а = а' = 0,03 м; арматура усиливаемого элемента АIII (R_s = 365 МПа), A_s = 2,26 см² (2Ø12); A_s = 15,71 см² (5Ø20), арматура усиливающего элемента класса А-III (R_sc,ad = 365 МПа); A_s,ad = 8,04 см² (4Ø16); A_s,ad = 12,56 см² (4Ø20) (рис, 10.29).

Усиление осуществлялось без разгружения усиливаемого элемента. Предварительная нагрузка на усиливаемый элемент не превышала 65 % от разрушающей нагрузки, следовательно, γ_b20 = γ_s20 = l.

Рис. 10.29. К примеру расчета усиленного изгибаемого элемента

Требуется определить прочность элемента после усиления.

Расчет. Определяем центр тяжести арматуры:

Определим приведенное расчетное сопротивление бетона сжатой зоны усиленного элемента по формуле

При усилении изгибаемых элементов только по наклонному сечению устанавливают дополнительную поперечную или наклонную арматуру. Относительно простым способом усиления является установка накладных хомутов расчетного сечения. Для этой цели в плите перекрытия просверливают отверстия с обеих сторон усиливаемой балки. В эти отверстия снизу заводятся хомуты, которые на концах имеют нарезку для болтов. Закручиванием гаек с двух сторон создается предварительное напряжение в хомутах и их включение в совместную работу с балкой (рис. 10.30).

Рис. 10.30. Усиления балок по наклонному сечению хомутами:

1 — усиливаемая балка; 2 — хомуты; 3 — плита перекрытия: 4 — упорные уголки; 5 — гайки

Эффективным средством усиления опорных частей изгибаемых элементов многопролетных зданий и перекрытий являются разгружающие предварительно напряженные двухконсольные кронштейны (рис. 10.31), которые устанавливаются на промежуточных опорах. Высота кронштейнов равна высоте усиливаемых балок на опоре, а их длина принимается равной ¹/₄…¹/₆ их пролета. При небольшом вылете кронштейнов элементы решетки не требуются.

Рис. 10.31.Усиление балки разгружающими кронштейнами:

1 — усиливаемая балка;2— плиты перекрытия; 3— оголовник; 4 — тяжи кронштейна; 5 — болты; 6 — накладки-связи; 7 — опорный лист; 8 — колонна; 9 — распределительная прокладка

Конструкция разгружающих кронштейнов включает: опорные элементы, ветви кронштейнов, соединительные элементы и упорные устройства. Для работы кронштейна необходимо обеспечить некоторый поворот опорного ребра, поэтому между металлическим ребром и торцами балок должен оставаться зазор 10...15 мм.

Ветви кронштейнов выполняют из одиночных уголков или гибкой арматуры (верхний пояс). Упорные устройства в виде жестких пластин (уголков) подводят под низ балок и подвешивают на болтах к нижним поясам кронштейнов.

Включение кронштейна в работу производят натяжением болтов упорных пластин, подвеской к концам кронштейнов оттарированных грузов, гидравлическими или механическими домкратами. Контроль усилия натяжения осуществляют по прогибам кронштейна или по манометру домкрата.

При нарушении анкеровки продольной арматуры вынос опор кронштейна от торцов балки принимают не менее 40 диаметров при стержневой арматуре и не менее 80 — при арматуре из высокопрочной проволоки.

При усилении балок перекрытия многопролетных зданий применяют комбинированные схемы: в крайнем пролете — предварительно напряженный шпренгель, в среднем — предварительно напряженные разгружающие кронштейны.

Одним из наиболее простых способов усиления изгибаемых монолитных и сборных железобетонных конструкций, осуществляемых без их разгрузки, является установка дополнительной арматуры, которая может иметь горизонтальное или шпренгельное очертание (рис. 10.32).

Применение дополнительной предварительно напряженной арматуры изменяет напряженно-деформированное состояние усиливаемой балки, которая рассматривается как элемент с увеличенной площадью сечения арматуры и изменившейся рабочей высотой сечения. Дополнительная арматура не имеет сцепления с бетоном, ее предварительное напряжение осуществляется механическим, электротермическим или электротермомеханическим способом.

Рис. 10.32. Усиления балок предварительно напряженной арматурой:

а — линейной; б — шпренгельной; 1...3, 6 — соединительные элементы (2 — усиливаемая балка: 3 —- напрягаемая арматура); 4 — натяжное приспособление; 5 — наклонные ветви опорного устройства

При необходимости усиления изгибаемого элемента на локальном участке (рис. 10.33) скалывают защитный слой бетона в приопорной зоне, где напряжения в продольной арматуре незначительны, и приваривают к существующей арматуре коротыши, диаметр которых несколько превышает толщину защитного слоя. Затем к одному из коротышей приваривают арматуру усиления, производят ее электронагрев до расчетной температуры (удлинения) и, поддерживая требуемую температуру на стержне, приваривают свободный конец арматуры ко второму коротышу.

Рис. 10.33. Усиление балки на локальном участке предварительно напряженной арматурой:

1 — усиливаемая балка; 2 — арматура балки; 3 — арматура усиления; 4 — коротыш-прокладка

При предварительно напряженной арматуре шпренгельного очертания в местах перегиба стержней между нижней гранью усиливаемой балки и шпренгелем устанавливают специальные прокладки, конструкция которых должна обеспечить эффективное натяжение арматуры.

Кроме указанных выше способов для предварительного напряжения дополнительной арматуры могут быть также рекомендованы специальные стяжные болты — хомуты с двумя нарезными концами (рис. 10.34). Этот способ отличается относительной простотой и позволяет создавать значительное предварительное напряжение в стержнях усиления при незначительных усилиях в самих болтах (в 7...10 раз меньше). Кроме того, при этом способе обеспечивается равномерность натяжения арматуры.

Рис. 10.34. Усиление балки предварительно напряженной дополнительной арматурой: 1 - усиливаемая балка; 2 — затяжка; 3 — промежуточная распорка; 4 — натяжной болт; 5 — анкерное устройство

Начальное предварительное напряжение в арматуре усиления (σ_sp и σ'_sp)назначают в соответствии с требованиями СНиП 2.03.01—84 не выше 0,9R_s,_ser для арматуры из мягких сталей и не выше 0,7R_s,_ser для высокопрочной арматуры. Нижняя граница предварительного напряжения составляет 0,4R_s,ser. При назначении уровня предварительного напряжения следует учитывать возможность изменения усилий вследствие разности температур при натяжении и в условиях эксплуатации.

Значение предварительного напряжения при усилении принимают с коэффициентами условия работы: для горизонтальных и шпренгельных затяжек γ_s22 = 0,8, а для хомутов и наклонных стержней γ_s23 = 0.75. Потери предварительного напряжения определяют по СНиП 2.03.01—84 как для конструкций с натяжением на бетон.

Предварительное напряжение в парных затяжках, стягиваемых с помощью болтов, определяют в зависимости от тангенса угла наклона ветвей i по графику (рис, 10.35), полученному из зависимости

Значение i принимают без учета малых уклонов (i ≤ 0,01), которые компенсируют первоначальное выпрямление стержней.

Рис. 10.35. График зависимости напряжения от угла наклона

Расчет железобетонных изгибаемых элементов, усиленных предварительно напряженной арматурой, не имеющей сцепления с бетоном, выполняют в зависимости от соотношения ξ и ξ_R д, причем значение ξ_R определяют в предположении, что в предельном состоянии напряжение в существующей арматуре равно R_s, а в арматуре усиления

где σ_sp,ad — предварительное напряжение в арматуре с учетом потерь; а = E_s/E_b (E_s — модуль упругости арматуры усиливаемого элемента; Е_b — то же, бетона); R_s,ser,ad — расчетное сопротивление арматуры усиления для предельных состояний второй группы, МПа; µ = (A_s+A_sp,ad)/(bh₀) — коэффициент армирования; l — расстояние между внутренними торцами анкеров арматуры усиления, м; γ_s — коэффициент надежности по арматуре (по СНиП 2.03.01—84); δ_b— безразмерный коэффициент,

где δ_R = 820 МПа; E_s,ad — модуль упругости дополнительной арматуры усиления; А_s — площадь арматуры усиливаемой конструкции; E_s,st = l,8×10⁵ МПа — модуль упругости арматуры класса К-7, принимаемый за эталон; A_sp,ad — площадь предварительно напряженной арматуры усиления; δ_cb = 0,55 при отсутствии контакта арматуры усиления с усиливаемой конструкцией (при наличии контакта δ = 0).

Значение σ_lim,adдля высокопрочной проволоки не должно превышать ее расчетного сопротивления.

При определении ξ_R напряжения в растянутой арматуре принимают по арматуре с более высоким расчетным сопротивлением.

Усиление железобетонных конструкций с применением предварительно напряженной арматуры без сцепления с бетоном рекомендуется выполнить при соблюдении условия ξ ≤ ξ_R. При предельном значении площади арматуры A_s = A_sp,ad установка дополнительной арматуры должна сопровождаться усилением сжатой зоны бетона.

Расчет прочности нормальных сечений осуществляется по формуле (10.11). Относительная высота сжатой зоны бетона

где R_sp,ad — расчетное сопротивление дополнительной арматуры.

Значение a_red > 0, если напрягаемая арматура усиления находится под нижней гранью элемента по высоте; а_red < 0, если арматура усиления расположена по боковым граням элемента.

Высота сжатой зоны бетона

Величину σ_lim,ad определяют с учетом коэффициента условия работы γ_s6 (по СНиП 2.03.01—84).

Расчет тавровых сечений железобетонных изделий, усиленных предварительно напряженной арматурой без сцепления с бетоном, выполняют в зависимости от положения границы сжатой зоны. При расположении нейтральной оси в полке расчет осуществляют как для прямоугольного сечения шириной b = b'_f. При расположении границы сжатой зоны в ребре расчет дополнительной арматуры усиления производят по формулам (10.14), (10.30), (10.31), но вместо R_sd принимают σ_lim,ad.

Расчет железобетонных элементов, усиленных шпренгельной системой, выполняют как статически неопределимых конструкций. При этом сечение балки проверяют на действие продольных сил, возникающих в ригеле шпренгельной системы.

Предварительное напряжение в шпренгеле должно создать разгружающий момент в балке, достаточный для воспринятия максимально возможных нагрузок после реконструкции. При этом усилие предварительного напряжения назначают с учетом возможных потерь предварительного напряжения и коэффициента условия работы γ_s24 = 0,8.

При усилении шпренгельной системой балка рассматривается как самостоятельный внецентренно-сжатый элемент, загруженный внешней нагрузкой и усилиями от шпренгеля, которые также рассматриваются как внешняя нагрузка (рис. 10.36). При этом рекомендуется такая последовательность расчета.

1. Назначают габариты шпренгельной системы и сечения элементов (l₁ ,l₂, a_s22, h_st12, φ, A_sp,ad).

2. Определяют максимальные изгибающие моменты в балке до и после реконструкции (M₁, и M_tot).

Рис. 10.36.Расчетная схема балки, усиленной шпренгелем

3. Назначают величину предварительного напряжения σ_sp.

4. Определяют распор в шпренгеле в предельном состоянии:

где σ_s определяют по формуле (10.30).

5. Находят усилие, которое передается на балку от шпренгеля в предельном состоянии:

6. Определяют усилия, которые передаются на балку от шпренгеля:

7. Выполняют проверку прочности усиливаемой балки на внецентренное сжатие на усилия M_str и Q_str при е = M/N; е = e_o + h_o + h₁; е' = e_o + h₁ — а', где e_о — эксцентриситет относительно геометрической оси, проходящей по центру тяжести сечения.

При усилении балок предварительно напряженными кронштейнами величина усилий в тягах кронштейна должна обеспечить воспринятое балкой дополнительных нагрузок:

где M_unl и Q_unl — усилия в балке от кронштейна; М_сr и Q_cr — усилия, вызывающие разрушение усиливаемой балки.

Расчет выполняют по следующей схеме.

1. Определяют значения и от единичной силы Р = 1, приложенной к балке в местах подвески кронштейна и направленной снизу вверх.

2. По значениям и находят

Рис. 10.37. К расчету усиления кронштейном:

а — расчетная схема: б — основная система

Если кронштейны опираются непосредственно на колонну, необходимо осуществить проверку балки на отрыв от опоры усилием от предварительно напряженного кронштейна при отсутствии внешней нагрузки.

Кронштейны усиления рекомендуется рассчитывать как статически неопределимые системы методом сил (рис. 10.37). В связи с тем, что поворот усиливаемой балки практически равен нулю, ее можно считать защемленной на опоре. За неизвестные принимаются усилия в растянутых элементах кронштейна. Перемещения от единичных неизвестных определяют с учетом продольных сил и моментов, влиянием поперечных сил пренебрегают.

Предварительно сечение кронштейна можно определить, рассчитав его как ферму с шарнирами в узлах, однако сечение нижнего пояса, которое подбирается по продольной силе, следует в этом случае увеличить в 2 раза.

В связи с неизбежными потерями при обжатии опор и упорных устройств расчетное предварительное напряжение кронштейна рекомендуется увеличить на 15%.

Усиление колонн

Одним из наиболее эффективных способов усиления железобетонных колонн является устройство железобетонных или металлических обойм. Усиление обоймами особенно рационально для колонн с небольшой гибкостью (λ ≤ 14). В изгибаемых элементах обоймы рекомендуются в исключительных случаях (например, при значительной коррозии арматуры), так как усиление по всему периметру изгибаемого элемента нерационально с конструктивной точки зрения и требует значительных трудозатрат при производстве работ.

Наиболее простым типом железобетонных обойм являются обоймы с обычной продольной и поперечной арматурой без связи арматуры обоймы с арматурой усиливаемой колонны (рис. 10.38). При таком способе усиления важно обеспечить совместную работу «старого» и «нового» бетона, что достигается тщательной очисткой поверхности бетона усиливаемой конструкции пескоструйным аппаратом, насечкой или обработкой металлическими щетками, а также промывкой под давлением непосредственно перед бетонированием. Для улучшения адгезии и защиты бетона и арматуры в агрессивных условиях эксплуатации рекомендуется применение полимербетонов.

Рис. 10.38. Усиление колонны железобетонной обоймой:

1 — усиливаемая колонна; 2 — обойма; 3 — продольная арматура обоймы; 4 — поперечная арматура обоймы; 5 — жесткая продольная обойма; 6 — опорные уголки

Толщина обоймы колонн определяется расчетом и конструктивными требованиями (диаметром продольной и поперечной арматуры, величиной защитного слоя и т.п.). Как правило, она не превышает 300 мм. Площадь рабочей продольной арматуры также определяют расчетом, ее диаметр принимают не менее 16 мм для стержней, работающих на сжатие, и 12 мм для стержней, работающих на растяжение. Поперечную арматуру диаметром не менее 6 мм для вязаных каркасов и 8 мм для сварных устанавливают с шагом 15 диаметров продольной арматуры и не более трехкратной толщины обоймы, но не более 200 мм. В местах концентрации напряжений шаг хомутов уменьшается.

При местном усилении обойму продлевают за пределы поврежденного участка на длину не менее пяти ее толщин и не менее длины анкеровки арматуры, а также не менее двух ширин большей грани колонны, но не менее 400 мм. При местном усилении для улучшения сцепления «нового» и «старого» бетона рекомендуется выполнять адгезионную обмазку из полимерных материалов.

Поперечная арматура железобетонной обоймы может быть выполнена в виде спиральной обмотки (рис. 10.39) из проволоки диаметром не менее 6 мм. При этом спирали в плане должны быть круглыми и охватывать всю рабочую продольную арматуру. Расстояние между ветвями спирали должно быть не менее 40 мм и не более 100 мм, оно не должно также превышать 0,2 диаметра сечения ядра обоймы, охваченного спиралью. Более эффективны (но и более трудоемки) железобетонные обоймы, в которых обеспечивается связь существующей и дополнительной арматуры. Такие обоймы рекомендуются при сильном повреждении существующей арматуры или защитного слоя бетона. В этом случае арматуру усиливаемой конструкции тщательно очищают до чистого металла, разрушенные хомуты восстанавливают путем пробивки в бетоне поперечных борозд, установки в них новых хомутов и соединения их с продольной арматурой.

Рис. 10.39. Усиление колонны обоймой со спиральной арматурой:

1 — усиливаемая колонна; 2— обойма; 3— спиральная арматура

Рис. 10.40. Усиление колонны металлическими обоймами:

1 — усиливаемая колонна; 2 — ветви обоймы; 3 — планки обоймы; 4 — опорный уголок

Дополнительную продольную арматуру приваривают у шествующей с помощью соединительных коротышей, которые во избежание пережогов выполняют из арматуры класса A-I диаметром 10... 16 мм и располагают на расстоянии друг от друга не менее 20 диаметров продольной арматуры в шахматном порядке.

При невозможности выполнения замкнутой обоймы, например при примыкании колонны к стене, рекомендуется устройство «рубашек» — незамкнутых с одной стороны обетонок. При этом способе усиления необходимо обеспечить надежную анкеровку поперечной арматуры по концам поперечного сечения «рубашек». В колоннах это осуществляется путем приварки хомутов к арматуре колонн.

При усилении «рубашками» локальных поврежденных участков, как и при усилении обоймами, их необходимо продлить на неповрежденные части конструкции на длину не менее 500 мм, а также не менее длины анкеровки продольной арматуры, не менее ширины грани элемента или его диаметра и не менее пяти толщин стенки «рубашки».

По конструктивным соображениям диаметр продольной и поперечной арматуры «рубашек» принимают не менее 8 мм, при вязаных каркасах минимальный диаметр хомутов - 6 мм.

При невозможности увеличения сечения колонн и сжатых сроках производства работ по усилению рекомендуются металлические обоймы из уголков, устанавливаемых по граням колонн, и соединительных планок между ними (рис. 10.40). Эффективность включения металлической обоймы в работу колонны зависит от плотности прилегания уголков к телу колонны и от предварительного напряжения поперечных планок.

Для плотного прилегания уголков поверхность бетона по граням колонн тщательно выравнивается скалыванием неровностей и зачеканкой цементным раствором. Предварительное напряжение соединительных планок осуществляется термическим способом. Для этого планки приваривают одной стороной к уголкам обоймы, затем разогревают газовой горелкой до 100...120°С и в разогретом состоянии приваривают второй конец планок. Замыкание планок осуществляют симметрично от среднего по высоте колонны пояса. При остывании планок происходит обжатие поперечных сечений колонны, что существенно повышает ее несущую способность.

Эффективным средством усиления нагруженных колонн является устройство предварительно напряженных металлических распорок. Одно- или двусторонние распорки представляют собой металлические обоймы с предварительно напряженными стойками, расположенными с одной или двух сторон колонн (рис. 10.41). Первые применяют для увеличения несущей способности внецентренно сжатых колонн с большими и малыми эксцентриситетами, вторые — для центрально и внецентренно сжатых колонн с двузначной эпюрой моментов.

Предварительно напряженные односторонние распорки состоят из двух уголков, соединенных между собой металлическими планками. В верхней и нижней зонах распорок приваривают специальные планки толщиной не менее 15 мм, которые передают нагрузку на упорные уголки иимеют площадь поперечного сечения, равную сечению распорок.

Рис. 10.41. Усиление колонны предварительно напряженными двусторонними металлическими распорками:

а — в период монтажа; б — в напряженном состоянии; 1 — крепежный монтажный болт; 2 — натяжной монтажный болт; 3 — усиливаемая колонна; 4 — уголки распорок; 5 — упорные уголки; 6 — планка для натяжения болтов в месте перегиба; 7 — планки-упоры; 8 — соединительные планки

Планки устанавливают таким образом, чтобы они выступали за торцы уголков распорок на 100...120 мм, и снабжают двумя отверстиями для стяжных болтов.

Упорные уголки должны быть установлены таким образом, чтобы их внутренние грани совпадали с наружной гранью колонн. Для этого защитный слой бетона в верхней и нижнейзонах колонны скалывают и устанавливают упорные уголки на цементном растворе строго горизонтально.

До установки распорок в проектное положение в боковых полках уголков в середине их высоты выполняется вырез и осуществляется их незначительный перегиб.

Ослабление поперечного сечения уголков в месте выреза компенсируется приваркой дополнительных планок, в которых предусмотрены отверстия для стяжных болтов.

Предварительное напряжение распорок создается путем придания им вертикального положения за счет закручивания гаек натяжных болтов. При этом необходимо обеспечить плотное прилегание уголков к телу колонны, а также их совместную работу, объединив распорки с помощью приварки к ним металлических планок. Шаг планок принимают равным минимальному размеру сечения колонны. После приварки планок стяжные монтажные болты снимают, а ослабленные сечения распорок усиливают дополнительными металлическими накладками.

Для эффективного включения распорок в работу достаточно создать в них предварительное напряжение порядка 40...70 МПа, что обеспечивается за счет расчетного удлинения при выпрямлении уголков.

При увеличении нагрузки на консоли колонн их усиливают предварительно напряженными горизонтальными или наклонными тяжами (рис. 10.42).

Рис. 10.42. Усиления консолей предварительно напряженными тяжами:

1 — усиливаемая консоль; 2 — опорные элементы; 3 — упоры из уголков; 4 — предварительно напряженные тяжи;5 — анкеры; 6 — упоры из швеллеров

Предварительное напряжение создается завинчиванием гаек или взаимным стягиванием хомутов. Применяют также разгрузку консолей с помощью дополнительных металлических кронштейнов (рис. 10.43) или специальных опор в виде швеллеров (уголков), которые крепят к колонне с помощью предварительно напряженных тяжей (σ_sp = 40...50 МПа).

10.43. Усиление опирания балок: а — при короткой консоли; б — при длинной консоли; 1 — хомут вокруг колонны; 2 — колонна; 3 — тяжи; 4 — подклинка; 5 — подставка из отрезка двутавра; 6 — подвесная балка из швелле-рор; 7 —гайка тяжей; 8 — упорный уголок; 9 — ригель; 10 — уголковая поперечная подпорка; 11 — горизонтальные упоры из уголков; 12 — вертикальные крепежные болты

Железобетонные сжатые элементы, усиленные обоймами, «рубашками» и наращиванием рассчитывают как монолитные. При этом учет влияния продольного изгиба на несущую способность рекомендуется осуществлять путем расчета конструкции по деформированной схеме.

Допускается также производить расчет по недеформированной схеме, в этом случае при гибкости l₀ / i > 14 влияние прогиба на прочность учитывается путем умножения на коэффициент η по СНиП 2.03.01—84.

Расчетные характеристики бетона и арматуры принимаются с учетом коэффициентов условия работы бетона и арматуры γ_biи γ_siпо СНиП 2.03.01—84 и дополнительных коэффициентов условия работы γ_bziи γ_szi, учитывающих специфические условия работы усиленных элементов.

Изложенная ниже методика расчета правомочна в том случае, если элементы усиления плотно примыкают к опорным частям конструкций и обеспечена анкеровка арматуры в бетоне согласно требованиям СНиП 2.03.01—84.

Расчет сжатых элементов с двойной арматурой

при прямоугольной форме сечения

ограничивающей сжатую зону и проходящей через центр тяжести сечения растянутого стержня, наиболее удаленного от указанной прямой, а при отсутствии растянутой зоны — через центр тяжести наименее сжатого стержня; A_s,red и А'_s,red определяют по формулам (10.4)

Рис. 10.44. Схема усилий и эпюра напряжений в сечении, нормальном к продольной оси внецентренно сжатого элемента, усиленного двусторонним наращиванием, при расчете его на прочность (ξ < ξ_R)

при ξ > ξ_r расчет прочности осуществляют также по формуле (10.46), а высоту сжатой зоны находят по формуле

Для элементов из бетона класса В30 и ниже с не-напрягаемой арматурой классов A-I, A-II, A-III

Для конструкций из бетона класса выше ВЗО, а также для элементов с арматурой класса выше A-III (напряженной и ненапряженной) величину х определяют из выражения

где

ω = α — βR_b. Значения коэффициентов α, β, а также величины σ_sc,u и σ_spi определяют по СНиП 2.03.01—84.

При σ_s > βR_s напряжение в арматуре определяют по формуле

Если найденное по (10.52) σ_si превышает R_si без учета коэффициента γ_s6. в формуле (10.48) следует подставить значение σ_s, равное R_si. Значения ξ_ebi и ξ_i определяют по СНиП 2.03.01—84.

Площадь дополнительной растянутой арматуры при ξ < ξ_R определяют по формуле (10.11), где

Площадь дополнительной арматуры усиления при ξ > ξ_R также определяют по формуле (10.14), где

При усилении железобетонных конструкций обоймой с косвенным армированием их расчет производят по СНиП 2.03.01—84 с учетом коэффициентов условия работы по табл. 10.4.

Пример расчета внецентренно сжатого сечения. Дано; размеры сечения усиленного элемента b = 0,6 м; h = 0,8 м; бетон усиливаемого элемента класса В15 (R_b — 8,5 МПа); высота наращивания Х₂ = 0,1 м; бетон усиления класса В20 (R_b,ad = 11,5 МПа); h_o = 0,66 м; h_0,ad = 0,76 м; а = а' = 0,04 м; арматура усиливаемого элемента вида А-II R_s = R_sc = 280 МПа (4Ø18, A_s = A'_s = 1018 мм²); арматура усиливающего элемента вида A-III R_s,ad = R_sc,ad = 365 MПа; A_s,ad = 1256 мм² (4Ø20), A'_s,ad = 942 мм² (3Ø20).

Внецентренная нагрузка на элемент N = 1000 кН; е = 0,8 м (см. рис. 10.44).

Усиление железобетонного элемента осуществлялось при первоначальном загружении усиливаемого элемента, превышающем 65 % от разрушающей нагрузки, следовательно, коэффициент условий работы усиленной конструкции γ_br1 = γ_sr1 = 0,8.

Расчет. Определяем A_s,_red, A'_s,red и а_red:

Таким образом, несущая способность усиленного элемента достаточна.

Особенности расчета колонн, усиленных

металлическими элементами

Совместная работа железобетонного элемента и металлической обоймы учитывается при условии упора ветвей обоймы в перекрытия и в случае их приварки к опорным закладным деталям. Расчет металлической обоймы выполняют как самостоятельной системы по СНиП Н-23—81, при этом гибкость продольных элементов принимают с учетом их упора в усиливаемый железобетонный элемент в местах расположения поперечных планок.

При отсутствии контакта между железобетонным элементом и металлической обоймой расчет последней осуществляют как стальной колонны в соответствии со СНиП 11-23—81.

Предварительно напряженные распорки (см. рис. 10.41) разгружают существующую колонну на величину созданного в них усилия сжатия. Расчет предварительно напряженных распорок осуществляется также по СНиП П-23—81, при этом гибкость ветвей определяется по расчетной длине от места перегиба до упора в бетон. Если в момент усиления на колонну действует полная нагрузка, усилие в распорке равно σ_spА_сd, где А_cb — площадь поперечного сечения распорок. После передачи усилия обжатия распорки рассчитывают по полному поперечному сечению, так как ослабленные места усиливаются накладками.

В центрально сжатых колоннах распорки рассматривают как дополнительную арматуру со своим расчетным сопротивлением.

Во внецентренно сжатых колоннах устанавливать распорки в растянутой зоне не рекомендуется, а при установке их по конструктивным соображениям они не учитываются в расчетах.