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.

Рис. 10.19. Усиление балки подведением жест-кон опоры:

1 — усиливаемая балки; 2 — дополнительный фунда­мент; 3 — колонна усиления;

4 — болты

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.

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.

Рис. 10.20. Усиления ригеля жестким порта­лом:

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

Включение дополнительных опор в работу осуществляется различными способами: подтягиванием опорных концов балок (ферм) к усиливаемой конструкции, расклинкой косых прокла­док, распорными болтами и т. п.

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; А — 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/В₁ = М_2/В₂ (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:

Рис,.10.24. Частичная разгрузка металличес­кими балками снизу:1 – усиливаемая балка; 2 — балки усиления; 3 — тя­жи; 4 — упорная пластина

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.

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 конструкции: 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 упруго-податливых 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 расчётной 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 5Q...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.

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

Затем к коротким прокладкам прива­ривают планки обойм, плотно прилегающие к телу бето­на. Обоймы из уголков приваривают непосредственно к соединительным планкам обойм.

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 валка; г —рабочая арматура- 3 —хо­муты; 4 – стяжка: 5—насечка; 6—монтажная армату­ра «рубашки»; 7 — «рубашка»

Усиления добавлением арматуры, а также в виде обойм и полуобойм 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 ξ_r 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 ξ рабочая 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 а_red. В случае расположения в сжатой зоне бетона разных классов при определении ξ и 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:

(10.4)

(10.5)

Рис. 10.27. Расчетная схема усиления обоймами

где A_s,red и A^’_s,_red —приведенная площадь сечения в растянутой и сжатой арматуре; A_s и A’_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 арматуры и стержней усиления; R_sc и R_sc,ad —то же, сжатию.

При этом

(10.6)

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

(10.7)

где b — ширина усиленного элемента.

Расчет прочности усиленного сечения:

(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 A_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; А_b — площадь сжатой зоны усиливаемого эле­мента; A_b,ad — то же, усиливающего элемента; А_b,tot =A_b+A_b,ad — суммарная площадь сечения сжатой зоны усиленного элемента.

Полная высота сжатой зоны бетона составляет х= х₁ + х ₂, где х₁ — высота сжатой зоны бетона, которая находится в усиливаемом элементе; х₂ — то же, в уси­ливающем. Соответственно площади бетона составляют A_b = [ b— (а_rin+а'_rin)] х ₁; A_b,_ad=bx — А_b, где а_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

(10.10)

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

(10.11)

где

(10.12)

(10.13)

При отсутствии сжатой арматуры в существующей кон­струкции и элементе усиления:

(10.14)

(10.15)

(10.16)

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

(10.17)

где

(10.18)

(10.19)

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:

(10.20)

(10.21)

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 воспринятая максимального момента. При одно­рядном расположении арматуры только в растянутой зоне

х₂ = M/(R_s A_s) – h_o + 0,5 х (10.22)

где

x = R_s A_s/(R_bredb). (10.23)

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 oпределяют по формуле (10.9).

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

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

(10.24)

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

(10.25)

где

(10.26)

A_s,_red и A _s,_red определяют по формулам (10.4) и (10.5); R_b,red — по формуле (10.9).

Площадь дополнительной арматуры определяют по формуле (10.11), где (10.27)

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

(10.28)

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 х₂=0,1 м; бетон уси­ления класса В30 (R_b =17 МПа); h_о=0,65 м; h_0,ad=0,77 м, a=a'=0,03 м; арматура усиливаемого элемента АIII (R_s=365 МПа), =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=1.

Рис. 10.29. К примеру расчета усиленного изгибаемого элемента

Требуется определить прочность элемента после усиления.

Расчет. Определяем центр тяжести арматуры:

Определяем расстояние от сжатой грани усиленного элемента до общего центра тяжести:

h_0,red=h₀+a_red=650+53,3=703,3 мм.

Относительная высота сжатой зоны бетона

По формуле (25) СНиП 2.03.01—84

где ω=α– 0,008; α =0,85 для тяжелого бетона; σ_sR=365 МПа; σ_sR,u=400 МПа;

Определим приведенное расчетное сопротивление бетона сжа­той зоны усиленного элемента по формуле

где A_b,ad=bx-A_b; A_b,tot=A_b+A_b,ad; x₁=x – x² ; A_b=300(x – 100);A_b,ad=300x-300(x-100)=30000 мм²;A_b,tot=[300(x – 100)+30000] мм²

Высота сжатой зоны

Несущая способность усиленного элемента

где R_b,_red= 14,5+250/133,54= 16,37 МПа.

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

Рис. 10.30. Усиления балок по наклонному сечению хомута­ми:

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

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).

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 ¼ —1/6 их пролета. При небольшом вылете кронштейнов элементы решетки не требуются.

1

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 анкеровкн 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

Рис. 10.32. Усиления балок предварительно напряженной арматурой:

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

арматуры и изменившейся рабочей высотой сечения. Дополнительная арматура не имеет сцепления с бето­ном, ее предварительное напряжение осуществляется механическим, электротермическим или электротермомеханическим способом.

При необходимости усиления изгибаемого элементу на локальном участке (рис. 10.33) скалывают защитный

Рис. 10.33. Усиление балки на локальном участке предварительно напряженной ар­матурой: 1— усиливаемая балка; 2 — арматура балки; 3 — арматура усиления; 4 — коротыш-прокладка

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.

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).

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

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.

Начальное предварительное напряжение в арматуре усиления () 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 0,4 R_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, a для хомутов и наклонных стержней γs23=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

(10.29)

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, причем значение ξ_R опреде­ляют в предположении, что в предельном состоянии напряжение в существующей арматуре равно R_s, а в арматуре усиления

(10.30)

где σ_sp,_ad —предварительное напряжение в арматуре с учетом потерь; α=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,

(10.31)

где δ_R = 820 МПа; E_s,_ad — модуль упругости дополни­тельной арматуры усиления; A_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_сb=0,55 при отсутствии контакта арматуры усиления с усиливаемой - конструкцией (при наличии контакта δ=0).

Значение σ_lim,ad для 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

(10.32)

где σ_lim,ad определяют по формуле (10.30); h_o,red=h + a_red, но не более h,

(10.33)

где R_sp,_ad — расчетное сопротивление дополнительной арматуры.

Значение а_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

(10.34)

Площадь дополнительной арматуры усиления

(10.35)

(10.36)

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

Расчет тавровых сечений железобетонных изделии, 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_st2,φ,A_sp,ad).

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

Рис. 10.36. Расчетная схема балки, усиленной шпренгелем

3. Назначают величину предварительного напряже­ния σ_sp.

4. Определяют распор в шпренгеле в предельном со­стоянии:

(10,37)

где σ_s определяют по формуле (10.30).

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

S₁ = F_htgφ (10.38)

M₁=F_h a_stz. (10.39)

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

M_stz = M_tot –M₁ = F_htgφl₂, (10.40)

Q_str = F₂ = F₄ — S₁. (10.41)

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 e' = e_o + h₁ — а', где е_о — экс­центриситет относительно геометрической оси, проходя­
щей по центру тяжести сечения.

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

М_unl=М – М_cr; (10.42)

Q_unl=Q – Q_cr; (10.43)

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

Расчет выполняют по следующей схеме.

1. Определяют значения М и Q от единичной силы P=1, приложенной к балке в местах подвески крон­
штейна и направленной снизу вверх.

По значениям М и Q находят

М_cr= (10.44)

(10.45)

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 не­
определимые системы ме­тодом сил (рис. 10.37).

Рис. 10.37. К расчету усиления кронштейном:

a—расчетная схема; б —основная система

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%.