Н.С. Сова, И.Ш. Алирзаев

КОНСТРУКТИВНЫЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ УСИЛЕНИЯ СТАЛЬНЫХ КОЛОНН ПОД НАГРУЗКОЙ

Рассматриваются некоторые варианты усиления стальных колонн под нагрузкой. Приводится характер распределения усилий в поперечных связях, препятствующих отрыву элементов усиления от основной конструкции.

Ключевые слова: усиление колонн, распределение усилий.

N.S. Sova, I.Sh. Alirzaev

CONSTRUCTIVE AND TECHNOLOGICAL PECULIARITIES OF REINFORCING

STEEL COLUMNS AT THE LOAD

Some variants of strengthening columns at the load are considered. The form of reinforcement distribution in transverse brace, preventing tearing reinforcement off the main structure, is given.

Keywords: column reinforcement, reinforcement distribution.

Многолетний опыт технических обследований зданий предприятий химической промышленности показывает, что часто усиления требует не конструкция в целом, а лишь наиболее поврежденные элементы или узлы, что подтверждает целесообразность их усиления под нагрузкой. По данным кафедры ПКОиФ ВГАСУ до 80 % обследованных стальных колонн несущих каркасов обследованных зданий ОАО «Воронежсинтезкаучук» имели повреждения, причем 75 % этих повреждений составили износы с поражением металла коррозией на уровне опорных баз и перекрытий. Усиление колонн под нагрузкой обычно является экономически более выгодным и технически целесообразным, так как предварительная разгрузка вызывает необходимость частичного или полного приостановления производственных процессов. С другой стороны, усиление колонн под нагрузкой чрезвычайно сложно и зависит от многих факторов, как конструктивного характера, так и технологического порядка.

Схемы усиления колонн могут быть различными и диктуются степенью повреждения усиливаемых участков, технологическими и

89

конструктивными соображениями (удобства присоединения элементов усиления, обеспечение передачи на них усилий, удобства производства сварочных работ, уменьшение сварочных прогибов и т.д.).

На основе проведенных комплексных работ по обследованию конструкций и накопленного опыта для восстановления несущей способности колонн были рассмотрены варианты усиления, приведенные в таблице. Во всех вариантах усиление сечений достигается посредством присоединения и включения в совместную с основным стержнем работу элементов усиления из полосовой или профильной стали. В предлагаемых вариантах угловые вертикальные швы (связи сдвига) воспринимают сдвигающие усилия, а электрозаклепки (поперечные связи) препятствуют отрыву элементов усиления от основной конструкции (рис. 1). Концы деталей усиления выносятся за пределы максимальных напряжений усиливаемого элемента. После окончательного закрепления элементов усиления и контроля качества швов производится антикоррозионная защита неокрашенных частей усиливаемой колонны и элементов усиления.

Таблица

Характерные повреждения и типовые варианты усиления баз колонн

90

Присоединение элементов усиления с помощью сварки – зачастую технологически наиболее приемлемый способ усиления. Однако наложение сварных швов приводит к возникновению сварочных напряжений и деформаций. Неравномерности деформаций отдельных волокон, вызванные наличием мощного точечного источника тепла, приводят к дополнительному выгибу элементов в результате сварки. Действующие нормативные документы не предусматривают учета влияния сварочных напряжений и деформаций, а сварочные прогибы предлагают устранять технологическими мерами. Однако при усилении недемонтированных конструкций эти меры практически неосуществимы. Появление зон термопластичности при сварке связано с включением части сечения из работы, что может в отдельных случаях привести к потере несущей способности элемента в процессе усиления.

Во избежание сварочных напряжений и деформаций отработана специальная технология, которая предусматривает определенную последовательность и режим усиления. При усилении элементы усиления предварительно прижимаются к усиливаемой колонне с помощью струбцин. После прижатия элементов усиления осуществляется их прихватка на сварке. Прихватки накладываются в местах расположения фиксаторов. Предварительная сборка элементов на сварочных прихватках обеспечивает совместную работу основного стержня и элементов усиления и приводит к резкому уменьшению сварочных прогибов. Прихватки воспринимают незначительные сдвигающие усилия, возникающие вследствие приращения прогибов стержня и изменения его жесткости при последующем наложении связующих швов. Затем приступают к наложению основных связующих сварных швов. Сварка выполняется электродом диаметром не более 4 мм от середины элемента к краям обратно-ступенчатым способом (длина ступени -150-200 мм), при котором отдельные швы – ступени выполняются в направлении, об-

ратном общему направлению сварки. Сущность этого способа заключается в том, что деформации от предыдущих швов снижаются при выполнении последующих швов. Все сварные швы выполняются в несколько проходов. При этом общее направление сварки в последующем проходе меняется на противоположное.

Одним из наиболее важных условий сокращения сварочных напряжений в конструкциях при выполнении усиления является назначение минимальных катетов швов. Однако определение усилий в соединениях является статически неопределимой задачей. Стальные колонны, усиленные под нагрузкой увеличением их сечения, становятся «внутренне» статически неопределимыми, и нахождений усилий, перемещений и напряжений в сечениях невозможно без учета особенностей их деформирования.

Для определения параметров электрозаклепок необходимо определить усилия в них. Податливость поперечных связей значительно превышает возможности деформации сдвига и поперечного растяжения материала соединяемых элементов, в этом случае усиливаемый элемент можно рассматривать как составной элемент на упругоподатливых связях, какими являются электрозаклепки. Во время работы усиленного элемента в поперечных связях возникают усилия, являющимися функциями координат. Сосредоточенный сдвиг вдоль разделяющей плоскости равен разности смещения волокон усиливающих и усиливаемых элементов (рис. 2).

В качестве основной системы рассмотрим элементы, между которыми связи сдвига удалены и заменены касательными усилиями. За лишние неизвестные принимаем равнодействующие касательных усилий. Для перехода от систем линейных алгебраических уравне-

91

ний, выражающих взаимодействия отдельных дискретных связей по длине одного и того же шва к одному дифференциальному уравнению допускаем что, элементы усиления и усиливаемая конструкция соединены непрерывно распределенными связями. Для определения величину сдвига в сечении x по i-му шву через внешние силы пользуемся уравнением [2]:

суммарная жесткость усиленного элемента, M 0 - изгибающий момент основной системы,

N10 и N20 - нормальные усилия в элементах, c - расстояние между центрами тяжести двух

смежных элементов, Решение исходного уравнения имеет вид [3]:

где , C1 и C2 - произвольные постоянные.

Как видно из выражения (2) для сдвигающих усилий, степень затухания функций вдоль элементов усиления зависит от параметра . На участках 1 x (на уровне опор-

ной плиты) усилия в поперечных связях практически исчезают. Это означает, на этих участках усиленный стержень работает как монолитный элемент, и сдвиги по всем швам равны нулю. Следовательно, все поперечные связи должны быть сосредоточены на противоположных торцах элементов усиления.

Библиографический список

1.Б.К.Немчинов, Н.С.Сова, И.Ш.Алирзаев. Экспертиза строительных конструкций зданий химических предприятий и некоторые способы восстановления их работоспособности /Тез.докл. Первая международная научно-техническая конференция «Оценка риска и безопасность строительных конструкций».-Воронеж,2006.- С.207-210.

2.А.Р. Ржаницын. Составные стержни и пластинки.-М.: Стройиздат, 1986.-305 с.

3.Прочность, устойчивость, колебания. Справочник в трех томах. Том.3. Под ред. И.А. Биргера и Я.Г. Пановко .-М.: Машиностроение, 1968.-305 с.

References

1.B.K. Nemchinov, N.S.Sova, I.Sh. Alirzaev. Analysis of structural elements for chemical Enterprises and Some Means of Renewing Their Operation / Report Abstracts. First International Scientific Conference in «Risk Evaluation and Building Constructions Safety».-Voronezh,2007.- p.207-210.

2.A.R. Rzhanitsyn. Composite Bars and Plates.-M.: Stroyisdat, 1986.-p.305

3.Strength, Stability, Vibrations. Handbook in three volumes. V.3. Edited by I.A. Birger and Ya.G. Panovko.-M.: Machine-building, 1968.-p.305.

92