Усиление изгибаемых конструкций постановкой дополнительных опор

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

Этот способ усиления достаточно эффективен, так как он позволяет увеличить первоначальную несущую способность конструкции в 2-3 раза и может быть использован при усилении балок перекрытий и ригелей рам. Постановка дополнительных опор в пролетах изгибаемых элементов позволяет у последних уменьшить пролет. В результате значительно возрастает их первоначальная несущая способность.

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 неполного включения в работу усиливаемой конструкции. В качестве контрмеры рекомендуется предварительное обжатие грунта под фундаментом усилием, равным расчетной нагрузке. Для уменьшения давления на грунт под подошвой нового фундамента рекомендуется устраивать распределительную песчано-гравийную подушку. Такая подушка необходима, прежде всего, при наличии влажных пластичных глинистых грунтов, дающих осадку в течение длительного срока.

На рисунках 3-8 приведены примеры усиления монолитных балок (усиление сборных ригелей производится аналогично) подведением жестких опор, которые могут быть как металлическими, так и железобетонными. Жесткие опоры могут быть выполнены в соответствии с рисунком 3 в виде стоек, либо в виде металлических порталов в соответствии с рисунком 4, либо в виде металлических подкосов в соответствии с рисунками 5-8. Важным моментом при таком усилении является включение элементов усиления в работу усиливаемой конструкции. Это чаще всего достигается путем установки клиновидных прокладок, возможны также варианты – подъемом усиливаемой конструкции с помощью горизонтально расположенных домкратов согласно рисунку 8, натяжением металлической затяжки посредством натяжной муфты, как показано на рисунке 5, и другими способами.

Рисунок 3 – Усиление балки подведением жесткой опоры:

1 – усиливаемая монолитная балка: 2 – дополнительный фундамент;

3 – колонна усиления; 4 – болты

Опирание подкосов может быть произведено в соответствии с рисунками 4 и 6 на железобетонные или металлические обоймы колонн, устроенные в нижней части колонн. Усиление жесткими дополнительными опорами этого типа в меньшей мере стесняет габариты производственных помещений.

Рисунок 4 – Усиление балки жестким порталом:

1 – усиливаемая монолитная балка; 2 – жесткий портал; 3 – металлический бандаж;

4 – элементы крепления и включения в работу

При усилении балок дополнительными жесткими опорами в виде металлических подкосов должны быть предусмотрены элементы (затяжки) для восприятия возникающего горизонтального усилия – распора.

В случаях, когда усиливаемая конструкция не может быть предварительно разгружена, установка дополнительных жестких опор должна в обязательном порядке сопровождаться предварительным поднятием усиливаемой конструкции. Подъем усиливаемой конструкции может быть произведен различными способами и зависит как от конструкции дополнительных опор, так и от конструкции усиливаемых элементов.

Рисунок 5 – Усиление балок подведением подкосов:

1 – усиливаемая балка; 2 – обойма; 3 – подкосы; 4 – затяжка; 5 – натяжные муфты; 6 – металлический оголовник; 7 – планки; 8 – подкладки

При усилении ригелей дополнительными жесткими опорами в виде металлических или железобетонных подкосов (в соответствии с рисунком 8) подъем усиливаемого ригеля может производиться, например, горизонтально расположенным домкратом. Для облегчения перемещения распираемых полураскосов необходимо в зазор между усиливаемым ригелем и полураскосами закладывать металлические подкладки и коротыши из круглой арматурной стали. После подъема усиливаемой конструкции на необходимую величину с обеих сторон полураскосов приваривают распорки из профильного металла, например из швеллеров, а домкрат снимают. При усилении полураскосами, во избежание перегрузки колонн внизу, полураскосы необходимо связать понизу специальной металлической затяжкой.

Рисунок 6 – Усиление балки металлическими подкосами:

1 – усиливаемая монолитная балка; 2 – металлические подкосы; 3 – затяжка; 4 – клинья для включения в работу; 5 – опорный швеллер или уголки; 6 – крепежные болты

При усилении ригелей дополнительными жесткими опорами в виде подкосной системы, устанавливаемой на одной колонне (в соответствии с рисунком 5), подъем усиливаемой конструкции производится натяжением металлической затяжки посредством натяжной муфты. Для установки подкосной системы в нижней части колонны необходимо предварительно устроить обойму. После установки и стягивания подкосов они в нижней части закрепляются приваркой металлических планок к подкосам. Усиление жесткими дополнительными опорами этого типа в меньшей мере стесняет габариты производствен­ных помещений.

Для усиления изгибаемых элементов применяются также дополнительные упругие опоры, создаваемые обычно с помощью металлических балок или ферм, устанавливаемых под усиливаемым элементом на общие с ними или самостоятельные опоры и восприни­мающие нагрузку через прокладки, расположенные в пролете между усиливающим и усиливаемым элементом.

Включение конструкций дополнительных упругих опор в работу может осуществляться подтягиванием в процессе монтажа опорных концов упругих опор к усиливаемому элементу в соответствии с рисунком 9 или: с помощью расклинивающих прокладок в соответствии с рисунком 10. Вместо расклинивающих прокладок могут устанавливаться распорные болты.

Рисунок 7 – Усиление балки металлическими подкосами с опиранием подкосов на стальные обоймы колонн:

1 – усиливаемая монолитная балка; 2 – металлические подкосы; 3 – затяжка; 4 – стальная обойма колонны; 5 – опорный швеллер или уголки

Рисунок 8 – Усиление балки металлическими подкосами, опирающимися на нижерасположенное перекрытие:

1 – усиливаемая монолитная балка; 2 – подкладки; 3 – прокладки из круглых стержней; 4 –двухсторонняя распорка, привариваемая после установки раскосов; 5 – оголовники; 6 – полураскосы; 7 –затяжка; 8 – домкрат; 9 – сварные швы

При усилении изгибаемых элементов многоэтажных зданий; упругие дополнительные опоры могут быть созданы металлическими тяжами в соответствии с рисунком 11. Реактивная разгружающая сила создается предварительным напряжением тяжей вначале посредством натяжных гаек, а окончательно – натяжными муфтами. Нагрузка от тяжей воспринимается рамой верхнего яруса, к стойкам которой они крепятся.

Производство работ в данном случае не вызывает каких-либо затруднений и может быть проведено в кратчайшие сроки, но тяжи значительно стесняют габариты производственных помещений.

В качестве дополнительных упругих опор могут быть также использованы 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 аварийном 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. Следует отметить, что эта работа требует наиболее существенных материальных и трудовых затрат и должна быть соответствующим образом обоснована.

Рисунок 9 – Усиление балки дополнительной упругой опорой

а – металлической балкой на подвесках: 1 – усиливаемая монолитная балка; 2 – балка усиления; 3 – подвески; 4 – опорные уголки; 5 – прокладка; 6 – затяжка; б – металлической балкой на кронштейнах: 1 – усиливаемая монолитная балка; 2 – балка усиления; 3 – обоймы колонн; 4 – кронштейны; 5 – металлические клинья

Рисунок 10 – Усиление балки дополнительной упругой опорой

а – металлическими балками на подвесках; б – металлическими фермами: 1 – усиливаемая монолитная балка; 2 – разгружающая конструкция; 3 – подвески; 4 – опора разгружающей балки; 5 – фиксирующий болт; 6 – прокладка; 7 – отверстия, заполняемые бетоном после усиления

Рисунок 11 – Усиление балки дополнительной упругой опорой – предварительно напряженными тяжами

1 – усиливаемая монолитная балка; 2 – предварительно напряженные тяжи; 3 – стальная обойма колонны; 4 – опорные устройства; 5 – сварные швы; 6 – отверстия, заделываемые асфальтом; 7 – натяжные муфты

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.

Рисунок 12 – Усиление балки и плиты перекрытия металлическими балками сверху:

1 – разгружаемая 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 (рисунки 12 и 13), 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 (рисунок 12).

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 (рисунок 13).

Рисунок 13 – Разгружение монолитной железобетонной плиты ребристой железобетонной плитой: 1 – разгружаемая плита; 2 – конструкция усиления; 3 – элементы крепления; 4 – ригель; 5 – прокладки

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.

При применении полного разгружения существующих конструкций (рисунки 12, 13 и 14), 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 (рисунок 15) 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,

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

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.

Рисунок 14 – 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

Рисунок 15 – 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.