Диагностика повреждений и восстановление эксплуатационных качеств конструкций

75 :: 76 :: 77 :: 78 :: 79 :: 80 :: 81 :: 82 :: 83 :: 84 :: 85 :: 86 :: 87 :: Содержание

Для усиления балок используются разнообразные методы, при назначении которых учитываются статическая схема, вид напряженного состояния, степень разрушения и прочие специфические условия эксплуатации.

Важным обстоятельством при окончательном выборе метода усиления является характер трещин, образующихся на боковой поверхности балок. Так, например, балки с чрезмерно раскрытыми нормальными (вертикальными) трещинами усиливаются в пролете путем подведения упругих и жестких опор или подваркой дополнительной арматуры, а балки с наклонными трещинами - стальной обоймой или кронштейнами.

Усиление балок промежуточной упругой опорой, в качестве которой обычно используется балка (ферма), опирающаяся на самостоятельные опоры, широко применяется при усилении перекрытий производственных зданий, воспринимающих большие технологические нагрузки. Конструкция усиления представлена в табл. 3.2.

Усиление производится в следующей последовательности:

- устраиваются опоры под конструкцию усиления в виде отдельных стоек или консолей, привариваемых к стальной обвязке колонн;
- разгружается перекрытие в зоне усиления;
- монтируется конструкция усиления (балка или ферма);
- включается конструкция усиления в работу путем забивки стальных клиньев в распор с ригелем.

Рассмотрим проектирование усиления балки упругой опорой на примере.

Пример 3.4. Требуется усилить ригель междуэтажного перекрытия упругой промежуточной опорой в связи с увеличением полезной нагрузки.

Исходные данные: существующая нагрузка на ригель q₁ = 33 кН/м; нагрузка, которую должен воспринимать ригель после реконструкции, q₂ = 40кН/м; конструкция ригеля: бетон класса В20; R_b = 11,5 МПа; E_b = 27 · 10³ МПа; рабочая арматура 4ø18АШ; R_s = 365 МПа; E_s = 2 · 10⁵ МПа; A_s = 10,18 см².

Таблица 3.2

Усиление балок промежуточной опорой

№	Способ усиления.	Элементы усиления
п/п	Эскиз усиления	№ поз.	Общие сведения
1	Упругой опорой (балкой)	1	Стальная балка 2 [12...27
		2	Стальные пластины (клинья) δ = 4...10
		3	b = 50...80 δ = 4...6
2	Упругой опорой (фермой)	1	2 [75...150
		2	[12...18
		3	[10...20
		4	[14...18
		5	b = 80...100 δ = 8...12
3	Жесткой опорой (стойкой)	1	Стойка
		2	Гнутый швеллер
			δ = 8...10
		3	Стальная пластина (клин) δ = 4...10
4	жесткой опорой (подкосами)	1	Подкосы 2[16...27
		2	Стальная пластина δ = 10...12
		3	Гнутый швеллер δ = 10...12
		4	Стальная пластина δ = 10...12

Расчетная схема ригеля представлена на рис. 3.5.

Рис. 3.5. Расчетная схема ригеля: а - действующие нагрузки; б - эпюра моментов от нагрузки q1; в - эпюра моментов от нагрузки q2; г - эпюра моментов от реакции упругой опоры Рy; д - расчетное сечение ригеля

Рис. 3.5. Расчетная схема ригеля:
а - действующие нагрузки; б - эпюра моментов от нагрузки q₁; в - эпюра моментов от нагрузки q₂; г - эпюра моментов от реакции упругой опоры Р_y; д - расчетное сечение ригеля

Решение

Определяем изгибающие моменты:

M₁ =	g₁ · l₀²	=	33 · 6²	= 148,5 кH · м;
	8		8

M₂ =	40 · 6²	= 180 кH · м;
	8

Вычисляем характеристики сечения:

Находим (см. прил. 5)

α₀ = 0,196. 77

Рассчитываем несущую способность нормального сечения ригеля

M = α₀ · R_b · γ_b2 · b · h₀² = 0,196 · 11,5 · 10³ · 0,9 · 0,3 · 0,52² = 164,6 кН · м; М< М₂ = 180 кН · м.

Следовательно, возникает избыточный момент в сечении, который должен восприниматься конструкций усиления:

М_у = М₂ - М = 180 - 164,6 = 15,5 кН · м.

При передаче избыточной нагрузки с ригеля на конструкцию усиления определяем по формуле упругую реакцию

P_y =	4М_у	=	4 · 15,4	= 10,3 кН · м.
	l₀		6

Для определения жесткости сечения ригеля В предварительно вычисляем коэффициент приведения п и момент инерции J_p:

n =	E_s	=	2 · 10⁵	= 7,4;
	E_b		27 · 10³

J₂ =	b · h³	+ A_snr² =	0,3 · 0,63³	+ 10,18 · 10^-4 · 7,4 · 0,22² = 0,0058 м.
	12		12

Жесткость сечения ригеля без учета трещин в растянутой зоне находим по формуле

B = 0,85E_b · J_p = 0,85 · 27 · 10³ · 0,0058 = 0,13 · 10⁶ кH · м²

Суммарный прогиб ригеля

f =	5	·	g₂ · l₀⁴	-	P_y · l₀³	=	5 · 40 · 6⁴	-	10,3 · 6³	= 0,0051 м.
	384		B		48B		384 · 0,13 · 10⁶		48 · 0,13 · 10⁶

При усилении ригеля стальной балкой (см. табл. 3.2, п.1) ее требуемую жесткость определяем по формуле

EJ_t =	P_yl₀³	=	10,3 · 6³	= 9088 кH · м².
	48f		48 · 0,0051

Требуемый момент инерции балки усиления находим по формуле

J_t =	EJ_t	=	9088	= 4328 · 10^-8 м⁴ = 4328 см².
	E		2,1 · 10⁵ · 10³

По сортаменту прокатной стали балкой усиления может служить двутавр № 27 (J_x = 5010 см⁴) или же два швеллера № 22а (J_x = 2330 · 2 = 4660 см⁴).

При усилении ригеля стальной треугольной фермой (см. табл. 3.2, п. 2) площадь поперечного сечения ее поясов находим по приближенной формуле [5]:

A =	kP_y · l
	fE

где k - коэффициент, определяемый по табл. 3.3.

Принимаем значение h_t/l = 0,06, k = 28.

Тогда

A =	28 · 10,3 · 6	= 0,0016 м² = 16 см².
	0,0051 · 2,1 · 10⁵ · 10³

По сортаменту находим два уголка размером 75 × 75 × 6 и площадью А = 17,56 см².

Таблица 3.3

Значения коэффициента k

h_f /l	0,125	0,1	0,06 (6)	0,05
К	8,5	12,5	28	50

Наиболее простым в техническом исполнении является усиление балок подведением промежуточной жесткой опоры в виде стойки или подкосов. Однако следует учитывать, что промежуточная опора изменяет расчетную схему балки, в результате чего возникает надопорный отрицательный момент, на который проверяется существующее армирование балки.

Промежуточные опоры можно выполнять на самостоятельном фундаменте или с использованием уже существующих. Важным требованием к устройству отдельного фундамента является предварительное уплотнение грунта и его основании с целью избежания просадки. Уплотнение производится гидродомкратами таким образом, чтобы давление на грунт было не менее давления под подошвой фундамента. В табл. 3.2., п. 3 и 4 приведены конструкции жестких опор, широко применяемые в практике усиления. Кроме указанных, можно использовать кирпичные столбы, стальные трубы, наполненные бетоном, и другие профили.

Работы по усилению ригеля выполняются в следующей последовательности:

- уплотнение грунта и устройство фундамента;
- разгрузка перекрытия в зоне усиления балки;
- установка опорной конструкции на фундамент;
- включение промежуточной опоры в работу путем подклинивания или поддомкрачивания.

Пример 3.5. Требуется усилить ригель междуэтажного перекрытия жесткой промежуточной опорой в связи с увеличением полезной нагрузки. Исходные данные приняты из примера 3.4. Расчетные схемы ригеля и стойки даны на рис. 3.6.

Рис. 3.6. Расчетные схемы ригеля и стойки:
а - расчетная схема ригеля до усиления; б - расчетная схема ригеля после усиления; в - эпюра перераспределения моментов; г - эпюра материалов; д - расчетное сечение ригеля над опорой В; е - расчетная схема стойки

Решение

Находим изгибающие моменты в ригеле после его усиления:

над опорой В

М_B = -0,075q₂ · l₀₁² = 0,0715 · 40 · 3² = -25,74 кН/м;

в пролете АВ (ВС)

М = 0,091q₂ · l₀₁² = 0,091 · 40 · 3² = 32,76 кН/м.

Определяем высоту сжатой зоны бетона над опорой В:

x₁ =	R_s · A_s	=	280 · 1,57 · 10^-4	= 0,013 м;
	R_b · b		11,5 · 0,3

ξ =	x₁	=	0,013	= 0,023; α₀ = 0,02.
	h₀₁		0,57

Момент, воспринимаемый сечением балки над опорой В,

M = α₀ · R_b · γ_b2 · b · h₀₁² = 0,02 · 11,5 · 10³ · 0,9 · 0,3 · 0,57² = 20,2 кН/м; М < М_В; 20,2 < 25,74.

Следовательно, над опорой В рабочей арматуры недостаточно, из-за чего образуется пластический шарнир и происходит перераспределение опорного момента (см. рис. 3.6, в). В результате перераспределения пролетные моменты М_AB и М_BC увеличиваются (см. рис. 3.6, г), однако их значения не превышают орданат эпюры арматуры. Таким образом, прочность нормальных селений усиленного ригеля обеспечена.

За дополнительную жесткую опору принимаем стопку с размерами сечения b × h = 20 × 20 см из бетона класса В15; R_b = 8,5 МПа, армированную стержневой арматурой класса AIII; R_sc = 355 МПа; 4ø8AIII; A_s = 2,01 см².

Расчетная схема стойки представлена на рис. 3.6, е.

Расчетный эксцентриситет e₀ = 0.

Расчетная длина стойки при высоте этажа 3,6 м

l₀ = 0,7 · 3,6 = 2,52 м.

Так как l₀< 20h, 2,52 < 4, стойку можно рассчитывать как центрально-сжатую на усилие

N_B =	q₂ · l	=	40 · 6	= 120 кH.
	2		2

Условие прочности сечения стойки проверяем по [6, формула 119]:

N< φ(R_bA + R_sA'_s).

Определяем коэффициент

φ = φ_b + 2(φ_sb - φ_b),

где φ - коэффициент продольного изгиба;
φ_b, φ_sb - коэффициенты, принимаемые по [6, табл. 25 и 27]:

φ_b = 0,86; φ_sb = 0,89; тогда А = b × h = 0,2 × 0,2 = 0,04 м²;

α_s =	R_sc · A_s	=	355 · 2,01 · 10^-4	= 0,21;
	R_b · A		8,5 · 0,04

φ = 0,86 + 2(0,89 - 0,86)...0,21 = 0,87.

Проверяем условие прочности:

120 < 0,87(8,5 · 10³ · 0,04 + 355 · 10³ · 2,01 · 10^-4); 120 < 322 (кН).

Следовательно, прочность стойки достаточная.

Усиление балок предварительно напряженными затяжками широко используется при реконструкции зданий, при этом практически не уменьшается полезный объем помещения, и монтаж ведется без остановки производственного цикла. Затяжки делают шпренгельные, горизонтальные и комбинированные.

Основными элементами затяжек являются горизонтальные и наклонные тяжи, изготавливаемые из стержневой арматуры классов AIII, AIV диаметром 18 - 40 мм или прокатных профилей уголкового и швеллерного типов. Тяжи располагаются у боковых поверхностей элемента и закрепляются с помощью анкерных устройств в торце.

Балка, усиленная затяжкой, превращается из изгибаемого элемента во внецентренно сжатую комбинированную систему, напряженное состояние которой является функцией нескольких параметров, в том числе и усилия предварительного обжатия затяжкой.

При достаточном преднапряжении и надежном заанкеривании затяжки предполагается, что напряжения в ней, а также в рабочей арматуре усиливаемой балки нарастают пропорционально и достигают расчетного сопротивления одновременно.

Величину предварительного напряжения затяжки σ_n можно установить по табл. 3.4 в зависимости от нормативного сопротивления

стали R_sn и отношения q_n/q_y, где q_n - нагрузка на балку после усиления; q_y - нагрузка на балку во время усиления.

Из табл. 3.4 следует, что максимальное напряжение в затяжке. σ_n = (l - 0,8)R_sn требуется при усилении неразгруженной балки.

Таблица 3.4

Величины относительных напряжений в затяжке

q_n/q_y	1 - 1,25	1,25 - 1,7	1,7 - 2,5	2,5 - 5
σ_n/R_sn	1 - 0,8	0,8 - 0,7	0,7 - 0,55	0,55 - 0,4

В табл. 3,5, п. 1 и 2 рассмотрены варианты усиления балки шпренгельной и горизонтальной затяжками, при наличии в балке нормальных трещин.

Работа по усилению производится в следующей последовательности:

- заготавливаются детали усиления: стержни, натягивающие муфты (гайки), анкерные устройства;
- максимально разгружается перекрытие в зоне усиления балки;
- монтируются элементы конструкции усиления (поз. 1 - 6, табл. 3.5, п. 1);
- производится натяжение затяжки механическим или электромеханическим способами;
- все элементы конструкции усиления окрашиваются защитными покрытиями: эмалью, перхлорвиниловым лаком и др.

Пример 3.6. Требуется усилить ригель междуэтажного перекрытия предварительно напряженной затяжкой 2ø18A.IV(A_z) = 5,09 см²; R_s = 510 МПа). Исходные данные приняты из примера 3.4; конструкция усиления представ лена в табл. 3.5, расчетная схема ригеля - на рис. 3.7.

Решение

Находим площадь сечения затяжки, приведенную к арматуре класса AIII,

A_zn = A_z	R_s(AIV)	= 5,09	5,10	= 7,11 см².
	R_s(AIII)		365

Определяем приведенную полезную высоту сечения балки

h_on =	A_sh₀ + A_znh_z	=	10,18 · 52 + 7,11 · 66	= 57,75 см.
	A_s + A_zn		10,18 + 7,11

Вычисляем высоту сжатой зоны бетона

x =	R_s(A_s + A_zn)	=	365(10,18 + 7,11)	= 18,29 см.
	R_b · b		11,5 + 30

Таблица 3.5

Усиление балок стержнями

№ п/п	Способы усиления. Эскиз усиления	Элeменты усиления
№ п/п	Способы усиления. Эскиз усиления	№ поз.	Общие сведения
1	Усиление шпренгелем	1	ø16...36
		2	ø40...60
		3	δ = 10...14
		4	Гнутый швеллер δ = 10...12
		5	δ = 8...10
		6	Напрягающая муфта
2	Усиление затяжкой	1	Затяжка ø16...36
2	Усиление затяжкой	2	Опорный столик из стальной пластины δ = 8...16
3	Усиление приваркой дополнительной арматуры	1	Арматура усиления ø10...32
3	Усиление приваркой дополнительной арматуры	2	Соединительный элемент δ = 8...25 или ø8...25

Тогда относительная высота сжатой зоны

ξ =	x	=	18,29	= 0,316, ξ < ξ_R
	h_on		57,75

α₀ = 0,266.

Рис. 3.7. Расчетная схема ригеля с затяжкой:
а - действующая нагрузка; б - усилия в рабочей арматуре ригеля и в затяжке; в - расчетное сечение

Определяем момент, воспринимаемый нормальным сечением усиленной балки:

M = α₀ · R_b · γ_b2 · h_on² = 0,266 · 11,5 · 10³ · 0,9 · 0,3 · 0,5775² = 275 кН · м.

Так как выполняется условие М > М₂, 275 > 180, то прочность нормального сечения усиленной балки при нагрузке 40 кН/м обеспечена.

Принимая нагрузку на ригель в момент его усиления

q₅ = 15 кН/м,

но величина отношения

q₂	=	40	= 2,66.
q₃		15

Пользуясь табл. 3.4, находим

σ_n / R_sn = 0,55 - 0,54.

Таким образом, предварительное напряжение в затяжке должно составлять не менее 0,4 R_sn.

Наклонные трещины в балках образуются по разным причинам: от проскальзывания рабочей продольной арматуры в зоне заанкеривания, слабого армирования поперечными стержнями, низкой марки бетона, недостаточных размеров поперечного сечения балки, перегрузки. В зависимости от причины образования трещин принимаются и способы усиления балок: предварительно напряженные хомуты (табл. 3,6, п. 1 и 2); разгружающие кронштейны (табл. 3.6, п. 3), которые могут применяться как отдельно, так и в сочетании с затяжками и промежуточными опорами.

Усиление предварительно напряженными хомутами производится в следующей последовательности:

- заготавливаются детали усиления;
- разгружается перекрытие в зоне усиления балки;
- монтируется конструкция усиления;
- натягиваются последовательно с помощью гаек хомуты (поз. 1) и привариваются к уголкам (поз. 4). Натяжение хомутов струбцинами (поз. 2, табл. 3.6) производится после приварки хомутов;
- наносится на все металлические детали конструкции усиления антикоррозийное покрытие.

Расчет балок, усиленных предварительно напряженными хомутами и разгружающими кронштейнами, на действие поперечной силы по наклонной сжатой полосе между наклонными трещинами и по наклонной трещине производится по [38, формулы (72), (84)].

Таблица 3.6

Усиление балок с наклонными трещинами

№ п/п	Способ усиления. Эскиз усиления	Элементы усиления
№ п/п	Способ усиления. Эскиз усиления	№ поз.	Общие сведения
1	Усиление хомутами (схема 1)	1	Стержни (хомуты) ø10...16
		2	[10...14
		3	Пластина b = 40...60 δ = 4...6
		4	└50...100
2	Усиление хомутами (схема 2)	1	Стержни (хомуты) ø10...16
		2	Струбцина ø12...18
		3	Пластина b = 40...60 δ = 4...6
		4	└50...100
3	Усиление двухконсольной балкой (кронштейном)	1	Балка усиления [16...27
		2	Поперечная балка [10...18
		3	Связующий стержень ø16...25

75 :: 76 :: 77 :: 78 :: 79 :: 80 :: 81 :: 82 :: 83 :: 84 :: 85 :: 86 :: 87 :: Содержание