Каковы общие принципы усиления несущих конструкций?

При всем разнообразии приемов усиления все они базируются на двух принципах — уменьшении усилий (изгибающих моментов, продоль­ных и поперечных сил) в конструк­ции или увеличении ее несущей способности. В первом случае кон­струкцию разгружают (т. е. переда­ют всю или часть нагрузки на дру­гую — усиливающую — конструк­цию). Разгружение зачастую осуще­ствляют за счет изменения расчет­ной схемы существующей конструк­ции (например, превращают балку из однопролетной в двухпролетную, подводя под нее дополнительную опору). Во втором случае увеличи­вают (наращивают) сечение конст­рукции или увеличивают сопротив­ление материала (например, за счет поперечного обжатия). Конечно, та­кое разделение достаточно услов­но — часто в одном приеме усиле­ния используют оба принципа.

6.2. Что значит "включить" в ра­боту усиливающую конструкцию?

После завершения строительно-монтажных операций по усилению усиливающая конструкция должна сразу же, как только начала при­кладываться дополнительная нагруз­ка, воспринимать причитающуюся ей часть этой нагрузки (усилий, напря­жений), т. е. деформироваться со­вместно с усиливаемой конструкци­ей, — это и называется включени­ем ее в работу. В противном слу­чае разрушение усиливаемой кон­струкции может произойти раньше, чем усиливающая начнет воспри­нимать свою долю нагрузки.

Например, если под железобе­тонную балку в середине пролета подвести дополнительную жесткую опору в виде стойки и оставить меж­ду ними зазор, то балка при увели­чении нагрузки будет в состоянии прогибаться (а значит, в ней будет расти и изгибающий момент) до тех пор, пока зазор не исчезнет (рис. 46). Рост изгибающего момента, в конце концов, может привести к раз­рушению балки — все зависит от величины зазора. Поэтому при под­ведении дополнительных опор зазо­ры необходимо устранять — подклиниванием стальными пластинами, подливкой бетона или др. способа­ми. Только тогда опоры будут вклю­чены в работу.

6.3. Почему усиление целесо­образно проводить при мини­мальном значении эксплуатацион­ных нагрузок?

Для ответа на этот вопрос рас­смотрим упомянутый выше пример усиления балки (рис. 47). Если до­полнительную опору подводить тог­да, когда на балку действует мак­симальная эксплуатационная нагруз­ка q и, следовательно, максималь­ный изгибающий момент М_max(а), то опора работать не будет, усилие в ней будет равно нулю. Она смо­жет выполнить лишь противоаварийную задачу — удержать балку от обрушения. Если с балки снять часть нагрузки (б), то от оставшейся час­ти q₁ в балке возникает изгибаю­щий момент М₁. После подведения опоры и приложения ранее снятой нагрузки q₂ балка начнет работать как двухпролетная и в ней возник­нет дополнительный момент М₂(в). Сумма этих моментов М(г) даст на­много меньшее значение, чем М_max. Понятно, что суммарная величина моментов будет тем меньше (а на­грузка на усиливающую конструк­цию тем больше), чем больше вели­чина снятой нагрузки q₂?

Правда, в данном примере не следует впадать в другую крайность. Можно перед усилением так раз­грузить балку (д), что в итоге в се­редине пролета возникнет отрица­тельный момент, который балка вос­принять будет не в состоянии из-за недостаточного (или отсутствия) ар­мирования верхней зоны, и вместо усиления балки произойдет ее раз­рушение. Поэтому при проектиро­вании усиления всегда следует при­держиваться правила: новая эпюра моментов не должна выходить за пределы эпюры материалов существующей конструкции.

6.4. Как следует подклинивать зазоры между усиливающей и уси­ливаемой конструкциями?

В этом деле опасно переусерд­ствовать. При сильной забивке стальных пластин возникают боль­шие расклинивающие усилия, при­чем усилия неконтролируемые, ко­торые могут вызвать в усиливаемой конструкции опасные для нее изги­бающие моменты. Особенно осто­рожно следует проводить усиление многопролетных неразрезных балок. Если при усилении балки одного из пролетов создать большое раскли­нивающие усилие, то в соседних пролетах изгибающие моменты воз­растут, что может привести балки в аварийное состояние, — такие слу­чаи в практике усиления встреча­ются. Поэтому толщину стальных клиньев (пластин) следует подбирать в соответствии с фактическими за­зорами и забивать их легкими уда­рами молотка.

Необходимо помнить и о том, что в опорах (стойках) из монолитного железобетона или каменной кладки будут происходить усадочные про­цессы, особенно интенсивные в пер­вые дни. Поэтому подклинивание зазоров нужно производить не ра­нее чем через неделю после воз­ведения опор, а передачу дополни­тельной нагрузки — после набора бетоном или кладкой проектной прочности.

6.5. Чем отличаются жесткие опоры от упругих?

Жесткие — это опоры, которые не деформируются под нагрузкой (рис. 48, а). Упруго проседающими, или просто упругими, называются опоры, которые деформируются (про­седают) под нагрузкой вместе с са­мой конструкцией (рис. 48, б). Де­формации упругих опор зависят от величины нагрузки, от жесткости опирающейся конструкции (напри­мер, балки) и от жесткости самих опор. Чем меньше жесткость опо­ры, тем меньше опорная реакция R, тем меньше разгружается опираю­щаяся конструкция.

К жестким опорам обычно отно­сят стойки (колонны) из кирпича, железобетона или металла, подко­сы и т. п. элементы, которые подво­дят под усиливаемые конструкции и деформации которых настолько малы, что ими можно пренебречь. Одна­ко подобные опоры имеют один су­щественный недостаток — они пе­регораживают помещения. Кроме того, опоры в виде стоек требуют устройства самостоятельных фунда­ментов. При этом следует иметь в виду, что основание под фундамен­том в свою очередь подвергается деформациям (осадкам), в резуль­тате которых нагрузка на стойку уменьшается, а изгибающие момен­ты и поперечные силы в усиленной балке возрастают. Во избежание этого необходимо под подошвой фундамента либо предварительно обжимать грунт, либо устраивать большую песчано-щебеночную по­душку. Поэтому, несмотря на всю простоту подобного усиления, его применяют довольно редко.

Указанных недостатков лишены портальные рамы (рис. 49), стальные балки (рис. 50), фермы (рис. 51), шпренгели и некоторые другие уси­ливающие конструкции. В процессе нагружения они подвергаются за­метным деформациям (прогибам) совместно с усиливаемой конструк­цией (пунктирные линии на рисун­ках), которыми пренебречь нельзя, не допустив грубейшую ошибку. Поэтому дополнительные опоры, ко­торые образуют подобные конструк­ции, относятся к упругим.

6.6. Насколько эффективно усиление стальными балками?

Подведение стальных балок под железобетонные балки или плиты — довольно распространенный прием усиления. Основан он на принципе частичного разгружения — стальная балка является дополнительной (уп­ругой) опорой и берет на себя часть полезной нагрузки. Однако эффек­тивность такого усиления, как пра­вило, невелика. Сечения стальных балок проектировщики зачастую подбирают простым суммированием несущих способностей усиливаемой и усиливающей балок: если суще­ствующая балка (плита) в состоя­нии воспринимать только часть рас­четного изгибающего момента М, то сечение стальной балки подби­рают из условия восприятия недо­стающей части.

Такой подход ошибочен по двум причинам. Во-первых, стальная бал­ка включается в работу не с само­го начала, а со времени приложе­ния дополнительной нагрузки. Чем меньше разгружена железобетонная балка (плита), тем менее эффектив­но работает стальная балка (см. вопрос 6.3). Во-вторых, доли совме­стно воспринимаемой нагрузки оп­ределяются не несущими способ­ностями сечений, а совместными де­формациями (прогибом f). Поэтому дополнительная нагрузка распреде­ляется пропорционально жесткостям существующей и усиливающей кон­струкций.

Поясним на примере (рис. 52). Железобетонная балка пролётом 6 метров имеет жесткость 81000 кН·м² (при отсутствии трещин) и в состоя­нии воспринимать 80% расчетного изгибающего момента М = 290 кН·м. До начала усиления нагрузка на балку снижена наполовину, т.е. изгибающий момент в ней состав­ляет 145 кН·м. Следовательно, из оставшейся половины изгибающего момента 30%М (ΔМ_b = 87 кН·м) должна воспринять железобетонная балка, а 20%M (M_s = 58 кН·м) - стальная. Поскольку прогибы балок одинаковы (f_b = f_s), пропорциональ­но этим моментам должны быть и жесткости балок: ΔM_b/B_b = М_s/В_s' откуда B_s/B_b = 2/3, т. е. жесткость стальной балки B_s = 54000 кН ·м². Этой жесткости соответствует про­катный двутавр № 45, напряжения в котором при действии восприни­маемого им момента 58 кН·м со­ставят 47 МПа, т. е. всего 1/5 рас­четного сопротивления стали марки С235. Чем большая часть нагруз­ки снята с железобетонной балки до начала усиления, тем меньшее сечение потребуется для усилива­ющей балки и тем эффективнее она будет работать. Но даже при пол­ном снятии нагрузки напряжения в последней (двутавр № 33а) соста­вят всего 110 МПа.

Из приведенного примера вид­но, насколько неэффективно исполь­зуется несущая способность усили­вающей балки даже при самом ран­нем включении ее в работу. Прав­да, стальная балка будет нагружаться более интенсивно после образова­ния трещин в железобетонной бал­ке, когда жесткость последней за­метно снижается. Однако строгий расчет их совместной работы зат­руднителен, а его результаты могут оказаться далекими от фактической работы.

6.7. Как повысить эффектив­ность усиления изгибаемых эле­ментов стальными балками?

Чтобы повысить эффективность работы стальных усиливающих ба­лок, нужно создать предварительное напряжение: усиливающую (сталь­ную) балку частично нагрузить, а усиливаемую (железобетонную) ча­стично разгрузить — еще до того, как будет приложена дополнитель­ная внешняя нагрузка.

Выполнить предварительное на­пряжение можно разными способа­ми. Один из них — оттянуть сталь­ную балку книзу (прогнуть) с помо­щью подвешенных грузов, а в обра­зовавшиеся между ней и железо­бетонной балкой зазоры вставить металлические распорки (пластины или пакеты из листов). После сня­тия грузов стальная балка стремит­ся вернуться в исходное состояние (выпрямиться), но железобетонная этому препятствует. В результате, усиливающая балка нагружена си­лами, направленными сверху вниз, в усиливаемая — теми же силами, направленными снизу вверх (рис. 53). Правда, при этом часть преднапряжения стальной балки теряет­ся (см. следующий вопрос).

Потери напряжений можно ис­ключить, если подобную операцию осуществлять с помощью гидродом­кратов, устанавливаемых на усили­вающую балку, с контролем уси­лий в них по манометру. При таком способе происходит одновременный выгиб железобетонной балки и про­гиб стальной. Более простой спо­соб — использование вместо домк­ратов натяжных или упорных бол­тов, усилия в которых контролиру­ются по величине взаимного сме­щения f (суммы выгиба и прогиба) железобетонной и стальной балок (рис. 54).

Здесь не были упомянуты поте­ри от обмятия контактных поверх­ностей, неизбежные при любом преднапряжении. При проектирова­нии усиления их принимают обыч­но равными 20% начальной вели­чины преднапряжения.

Приведенный пример показыва­ет, что усиление можно выполнять и без разгружения железобетонной конструкции, если создать в ней усилия обратного знака за счет предварительного напряжения уси­ливающей конструкции.

6.8. Почему теряется часть предварительных напряжений в усиливающей балке при оттяжке ее грузами?

После снятия подвешенного гру­за F стальная балка жесткостью B_s, получившая прогиб f (рис. 53, а), стре­мится выпрямиться, т.е. полностью утратить начальные напряжения, но железобетонная жесткостью B_b это­му препятствует — она выгибается на величину f_b в то время как про­гиб стальной балки уменьшается до величины f_s (рис. 53, б). Поскольку f_s < f_/ происходит частичная потеря на­пряжений, в результате чего желе­зобетонная балка разгружается не всей силой F, а только ее частью ΔF. Эта же часть нагружает и уси­ливающую балку. Величина Дооп­ределяется следующим образом. Если пренебречь потерями напря­жений от обмятия контактных по­верхностей, то f = f_b + f_s. Тогда f = F(k/B_s), f_b = ΔF(k/B_b), f_s = ΔF(k/B_s), где k — условный коэффициент про­порциональности, зависящий от схе­мы приложения нагрузки (подвески грузов). Отсюда ΔF=FB_b/(B_b+B_s). Следовательно, чем выше жесткость стальной балки по сравнению с же­лезобетонной, тем меньше величи­на ΔF, тем больше потери напряже­ний.

6.9. Как работает шпренгель?

Шпренгель — это стержневая конструкция, в которой за счет со­вместных деформаций с усиливае­мой железобетонной конструкцией возникает растягивающее усилие Р. Его горизонтальная проекция — рас­пор N'=N—Т (где T — сила тре­ния при перегибе стержней) созда­ет положительный (загружающий) изгибающий момент М_о=N'·е, а вертикальные проекции D — отри­цательный (разгружающий) момент М_p. Кроме того, в опорных участках возникают и разгружающие попе­речные силы Q_p, в результате чего суммарные усилия ΣM и ΣQ оказы­ваются меньшими, чем усилия М_q и Q_q от внешней нагрузки (рис. 55).

Целесообразно, казалось бы, концы шпренгеля опустить до уров­ня нейтральной оси усиливаемой балки, исключить образование в ней М₀ и повысить, тем самым, эффек­тивность усиления. Однако ожида­емого результата это не даст, по­скольку одновременно уменьшатся значения D. Можно передвинуть весь шпренгель книзу, тогда и зна­чения D сохранятся и M₀ поменяет знак с положительного на отрица­тельный. Но в этом случае суще­ственно усложняется конструкция шпренгеля, а сам он уменьшает полезный объем здания, поэтому такое решение широкого примене­ния не нашло (а в зданиях с крана­ми вообще исключено).

В качестве шпренгельной затяж­ки используют стержневую арматур­ную сталь больших диаметров, а при необходимости — и прокатные про­фили из уголков или швеллеров. Как и в случае со стальными балками (см. вопрос 6.6), эффективность ра­боты шпренгелей без предваритель­ного напряжения весьма невелика. Опыт проектирования показывает, что если шпренгели включить в ра­боту даже с самого начала (т. е. установить их при полностью сня­той полезной нагрузке), то разгру­зить железобетонные балки они в состоянии всего на 5...20%.

6.10. Как рассчитывают шпренгели?

Требуемую величину распора N определяют из величины требуемо­го уменьшения изгибающих момен­тов и поперечных сил на величину соответственно М_p и Q_p (рис. 55). Далее необходимо найти, какая часть этого распора приходится на совместные деформации шпренгеля с балкой, а какая часть — на его преднапряжение. Точный расчет здесь довольно сложен, поскольку связан с поворотом торцов и лини­ей прогибов балки, зависящих от схемы нагрузки, изгибной жесткости балки, осевой жесткости шпренгеля и др. факторов. Поэтому с достаточ­ной для практики точностью пользу­ются приближенным расчетом: N = [(M_tot-M)/h+σ_spA_ss]γ £ 0,8 R_sA_ss, где М_tot (на рис. 55 обозначен как М_q и М₁ — изгибающие моменты после и до усиления, h — стрела провеса шпренгеля (плечо между N и N'), σ_sp — величина преднапряже­ния шпренгеля, A_ss — площадь сече­ния стержней шпренгеля,

γ_ss = 0,8 — коэффициент, учитывающий потери напряжений от обмятия контактных поверхностей, 0,8 — коэффициент ус­ловий работы стали. Приравняв выше найденную величину распора к это­му выражению, можно определить величину усилия предварительного натяжения, а из нее и площадь се­чения стержней шпренгеля. Если уси­ление проводится при действии пол­ной нагрузки на балку, то первое слагаемое в квадратных скобках ста­новится равным нулю и все усилие N создается только за счет пред­напряжения шпренгеля. Саму балку после усиления рассчитывают по прочности как внецентренно сжатый элемент на действие сжимающей силы N' (распора за вычетом потерь от трения при перегибе) и изгибаю­щего момента ΣМ.

6.11. Что дает усиление ба­лок затяжками?

Продольные затяжки в виде ар­матурных стержней или прокатных профилей располагают вдоль рас­тянутой грани балок и закрепляют на торцах. Под воздействием внеш­ней нагрузки балка прогибается, а ее опорные сечения (торцы) пово­рачиваются (рис. 57). При повороте торцы увлекают за собой затяжку, удлиняют ее и вызывают в ней рас­тягивающее усилие, которое, в свою очередь, действует на балку в виде сжимающей силы Р. От этой силы в балке возникает разгружающий момент М_p=-Р_е, где е — расстоя­ние от силы Р до центра тяжести сечения. В отличие от усиления шпренгелем, поперечные силы здесь не уменьшаются и разгружение опорных участков (наклонных сече­ний) не происходит.

Чем больше снято нагрузки с балки до начала усиления, тем боль­ше последующие углы поворота тор­цов, тем больше и усилие Р. Разу­меется, при этом требуется зара­нее устранить (выбрать) начальную слабину затяжки. Но даже и при условии полного предварительного снятия нагрузки напряжения в за­тяжке достигнут небольшой величи­ны — как правило, не более 100 МПа. Ведь она работает как вне­шняя арматура без сцепления с бетоном, у которой растягивающие напряжения по длине постоянны, в то время как рабочая арматура балки в опасных сечениях испыты­вает куда более высокие напряже­ния. Поэтому в затяжках создают предварительное напряжение, кото­рое позволяет значительно увели­чить силу обжатия Р и, соответствен­но, увеличить разгружающий момент M_p.

Расчет затяжек можно выполнять приближенно. Из требуемой вели­чины разгружающего момента M_p находят величину Р, а далее из вы­ражения Р = [(100ΔM_m/M_tot) + σ_sp] A_ssγ_ss £ 0,8R_sA_ss. находят требуемую площадь сечения A_ss стержней за­тяжки, задавшись величиной их пред­варительного напряжения σ_sp. Здесь ΔM_m и М_tot — величины соответственно дополнительного изгибающего момента, возникающего от прикла­дываемой после усиления нагрузки, и изгибающего момента от полной нагрузки (без учета M_p), γ_ss=0,85 — коэффициент, учитывающий по­тери напряжений. Размерность в формуле приведена в Н и мм, при размерности в кг и см коэффици­ент 100 заменяется на 1 000.

Однако область применения за­тяжек относительно невелика, по­скольку реальное опирание конст­рукций существенно отличается от идеального. В частности, у однопролетных железобетонных балок пере­крытий и покрытий (а равно и ферм покрытий) в сборных каркасных зда­ниях опорные закладные детали при­варивают к закладным деталям ко­лонн, т. е. шарнирно-подвижные опо­ры у них отсутствуют. Это значит, что фактический поворот торцов меньше теоретического, а самое главное — расстояние между опо­рами, т. е. крайними точками нижней грани, остается неизменным. Поэтому даже предварительное на­пряжение затяжек такие конструк­ции практически не разгружает (по­чти все усилие Р передается не на растянутую зону, а на опорные зак­ладные детали). Столь же бессмыс­ленно усиливать затяжками много­пролетные неразрезные балки и балки (ригели) монолитных рамных каркасов.

6.12. Как создают предвари­тельное напряжение в шпренгелях и затяжках?

Усилие предварительного натя­жения создают взаимным сближе­нием (стягиванием) ветвей шпренгеля или затяжки с помощью стяж­ных болтов на величину а, по кото­рой контролируют и величину са­мого усилия N. Как видно из рис. 58, а/b = tgα = i, тогда абсолютные деформации , относительные деформации ε=δ/I, а величина предварительного напря­жения σ_sp=εЕ, где Σb — суммар­ная длина участков перегиба, Е — модуль упругости стали. Отсюда N_sp = σ_spA_s, а усилие в стяжном болте V = 2Ni (схема "А") или V= Ni (схема "Б"). Проектное значение i назна­чается больше расчетного на 0,01 — величину, необходимую для вы­борки слабины ветвей.

Ветви можно натягивать также с помощью домкратов и нарезных муфт, но в последнем случае для контроля величины σ_sp необходимо применять специальные приборы (а не динамометрические ключи, ко­торые дают слишком большую по­грешность). Независимо от спосо­бов натяжения, величина предвари­тельного напряжения σ_sp не должна превышать 0,9R_sn для мягкой стали (имеющей физический предел те­кучести) и 0,7R_sn для высокопрочной стали. Максимальные напряжения в стержнях шпренгеля или затяжки (после вычета потерь напряжений и добавления напряжений от допол­нительно приложенной нагрузки) должны быть не более 0,8R_s