2321

Усиление балок

Метод усиления железобетонных балок назначается с учетом статической схемы, характера повреждений, степени армирования, вида напряженного состояния и других специфических факторов, способных повлиять на прогнозируемую после усиления несущую способность. Широко известными методами усиления являются подведение под балку упругих или жестких опор, которые позволяют уменьшать расчетный пролет балки, в результате чего несущая способность может увеличиться в несколько раз. Однако их использование не всегда возможно по технологическим и эстетическим требованиям.

Другими, не менее известными методами усиления являются введение в

конструкцию балки предварительно-напряженной затяжки, шпренгеля или дополнительных подвариваемых стержней. Достоинством этих методов можно считать небольшой расход материалов на элементы усиления, недостатком – относительно невысокий коэффициент усиления, особенно в балках с большим процентом армирования.

Результатыисследований, выполненныхвПензенскомГУАС, показали, что для достижения высокой эффективности усиления метод усиления следует назначать с учетом исходного процента армирования балки, а именно: при армировании 0,3…0,5% целесообразно усиление дополнительной арматурой в виде подвариваемых стержней или предварительнонапряженных затяжек; при армировании 0,6…0,8% – шпренгелем; при армировании 0,9…1,3% – дополнительной упругой опорой; при армировании более 1,3% – дополнительной жесткой опорой.

Более подробно сведения по технологии усиления и способам расчета усиленных конструкций, с учетом характера повреждений, излагаются ниже.

Усиление балок с нормальными трещинами

Усиление балок промежуточной упругой опорой , в качестве которой обычно используется балка (ферма), опирающаяся на самостоятельные опоры, применяется при усилении перекрытий производственных зданий, воспринимающих большие технологические нагрузки. Конструкции усиления представлены в табл.2.2.

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 враспор с ригелем.

61

Таблица 2 . 2

62

Рассмотрим проектирование усиления балки упругой опорой на примере.

Пример 2.4. 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 B20; Rb= 11,5 МПа; Eb=27 103МПа; рабочая арматура 4 18АШ; Rs= 365 МПа; Es=2 105 МПа;

As=10,18 см2.

Расчетная схема ригеля представлена на рис. 2.5.

Решение

Определяем изгибающие моменты:

Рис. 2.5. 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 Py; д – расчетное сечение ригеля

Рассчитываем несущую способность нормального сечения ригеля:

M= 0 Rb b2 b h02 =0,196 11,5 103 0,9 0,3 0,522=164,6 кН м; Mr<M2=180 кН м.

63

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

My=M2–Mr=180–164,6=15,5 кН м.

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

Для определения жесткости сечения ригеля B предварительно вычисляем коэффициент приведения n и момент инерции Ip:

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

B=0,85Eb JR=0,85 27 103 0,0058=0,13 106 кН м2.

Суммарный прогиб ригеля

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

Требуемый момент инерции балки усиления находим по формуле

По сортаменту прокатной стали балкой усиления может служить

двутавр№27 (Ix=5010 см4) илижедвашвеллера№22а(Ix=2330 2=4660 см4). При усилении ригеля стальной треугольной фермой (см. табл.2.2, п.2)

площадь поперечного сечения ее поясов находим по приближенной формуле [5]:

A kPfyE l ,

где k – коэффициент, определяемый по табл.2.3. 64

Принимаем значение ht/l=0,06, k=28. Тогда

Усиление балок подведением промежуточных ж е с т к и х о п о р в виде стоек или подкосов является наиболее простым в техническом исполнении методом. 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 в его основании с целью избежания просадки. Уплотнение производится гидродомкратами таким образом, чтобы давление на грунт было не менее давления под подошвой фундамента. В табл.2.2., п.3 и 4, приведены конструкции жестких опор, широко применяемые в практике усиления. Кромеуказанных, можно использоватькирпичныестолбы, стальныетрубы, наполненные бетоном, и другие профили.

Работы по усилению балки 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 2.5. Требуется усилить однопролётную балку междуэтажного перекрытия жёсткой промежуточной опорой в связи с увеличением расчётной нагрузки.

Исходные данные:

Нагрузка на балку до усиления: q1=33 кН/м. Нагрузка, прикладываемая после усиления: q2=20 кН/м. Конструкция балки:

расчётная длина: l=6 м;

65

размеры сечения: h b=0,6 0,3 (м), h0=0,52 м;

бетон класса В20: Rb=11,5 МПа; Rbt=0,9 МПа; Eb=27 103 МПа, γв1=1;

рабочая арматура 4Ø18A-III: Rs=365 МПа; ES=2 105 МПа;

As=10,18 мм2;

арматура в сжатой зоне конструктивная, подвержена коррозии и в

расчёте не учитывается: As=0.

Промежуточная опора подводится методом поддомкрачивания.

Решение:

Изгибающий момент от полной нагрузки:

Момент, воспринимаемый сечением арматуры AS:

Mr 0Rbbh02 0,185 11,5 103 0,3 0,522 172,6 кН м.

M r 172,6 кН м M 238,5 кН м – требуется усиление балки

Расчётная схема усиливаемой балки представлена на рис. 2.6 (а-ж). Задаёмся величиной положительного момента у промежуточной опоры

Msup 7 0,5Mr 0,5 172,6 86,3 кН м.

Требуемое усилие поддомкрачивания Р находим из формулы

Определяем величину положительного момента в пролёте по формуле

(8 33 6 3,5 20 6 8 34)2 110,55 кН м. 512(33 20)

Проверяем условие:

M span7 110,55 M r 172,6 (кН м) – прочность обеспечена.

66

Учитывая вероятность осадки фундамента под промежуточной опорой ивозможноеснижениеусилияР, считаем, чторезервпрочностипомоменту достаточный:

Усилие Р не корректируем.

Рис. 2.6. Расчётная схема однопролётной балки, усиленной дополнительной опорой с поддомкрачиванием

67

Усиление балок предварительно напряженными затяжками часто используется при реконструкции производственных 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 АIII, АIV 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 n можно установить

по табл.2.4 в зависимости от нормативного сопротивления стали Rsn и отношения qn/qy, где qn – нагрузка на балку после усиления; qy – нагрузка на

балку во время усиления.

Из табл.2.4 следует, что максимальное напряжение в затяжкеn=(1–0,8)Rsn требуется при усилении неразгруженной балки.

Таблица 2 . 4 Величины относительных напряжений в затяжке

Втабл.2.5, п.1 и2, рассмотренывариантыусилениябалкишпренгельной

игоризонтальной 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 (табл.2.5, п.1, поз.1-6);

–производится натяжение затяжки механическим или электромеханическим способом;

–все элементы конструкции усиления окрашиваются защитными покрытиями: эмалью, перхлорвиниловым лаком и др.

68

Расчёт однопролётной балки, усиленной горизонтальной затяжкой, рассмотрим на примере.

Пример 2.6. Требуется усилить однопролётную балку междуэтажного перекрытия предварительно напряжённой затяжкой из арматуры класса

A-IV.

Исходные данные приняты из примера 2.5:

конструкция усиления и расчётная схема балки представлены на рис. 2.7;

изгибающий момент от полной нагрузки М=238,5 кН м;

момент, воспринимаемый нормальным сечением балки до усиления

Mr=172,6 кН м;

рабочая арматура 4Ø18 A-III (As=10,18 см2).

Решение

Т.к. М>Mr, находим требуемую для восприятия момента площадь сечения арматуры класса A-III:

по прил. 1: 0,849; 0,31 R 0,525 ,

Необходимая площадь сечения арматуры усиления, если бы оно выполнялось из арматуры класса A-III:

Asz Asn As 14,8 10,18 4,62 см2.

Назначаем затяжку 2Ø18 A-IV (Asz=5,09 см2, Rs=510 МПа).

Приведённая к классу A-III площадь сечения затяжки:

Asz,n 5,09 510365 7,11 см2.

Полезная высота сечения по затяжке h0z=55 см. Приведённая с учётом затяжки высота сечения:

Рис. 2.7. Расчётная схема балки, усиленной затяжкой:

а – действующая нагрузка; б – конструкция усиления; в – усилия в рабочей арматуре ригеля и в затяжке; г – расчётное сечение

Момент, воспринимаемый усиленным сечением балки:

Mrn 0Rbbh02 0,285 11,5 103 0,3 0,5322 278,6 кН м.

Проверяем условие: Mrn > M: 278,6>238,5 (кН·м) – прочность обеспечена.

Пользуясьданнымитабл. 2.4, приотношении(q1+q2)/q1=(33+20)/33=1,61 назначаем величину предварительного напряжения в затяжке: z 0,72Rsn .

Выбирая способ усиления горизонтальной затяжкой, следует помнить, что эффективность её применения зависит от коэффициента армирования и класса бетона усиливаемой балки.

70