Усиление МУ

ЧАСТЬ 2. Усиление стальных конструкций

1. Общие положения по расчету усиления элементов стальных конструкций

При расчете стальных конструкций, усиливаемых под нагрузкой, необходимо учитывать уровни существующих на момент усиления напряжений, а также последовательность включения в работу дополнительных конструкций и деталей усиления.

При расчете усиливаемых под нагрузкой элементов на устойчивость и деформативность следует учитывать начальные и дополнительные деформации основных конструкций, возникающие на стадии усиления (например, дополнительные прогибы, возникающие при креплении элементов усиления с помощью сварки).

Принятая расчетная схема усиливаемых конструкций должна отражать их фактическое состояние и действительные условия работы, установленные при обследовании.

При разработке проекта реконструкции должны учитываться три стадии работы конструкции:

Стадия А – предшествует началу работы по реконструкции и требует оценки возможности дальнейшей нормальной эксплуатации конструкций с учетом их фактического состояния;

Стадия Б – соответствует периоду проведения реконструкции и требует разработки и выполнения дополнительных мероприятий по обеспечению работоспособности конструкций по временной схеме;

Стадия В – соответствует периоду эксплуатации конструкций после усиления и требует обеспечения их нормальной работы в изменившихся условиях.

Для "стадии А" работы конструкции, но не более чем на 3 года предстоящей эксплуатации, допускается уменьшать значения снеговых, ветровых, гололедных и температурных нагрузок и воздействий в соответствии

41

с указаниями норм (см. п. 1.5-1.9 [10]), как для стадии возведения при новом строительстве, и принимать пониженные значения нагрузок в тех случаях, когда нормы определяют их два значения (полное и пониженное). Нормативные значения эквивалентных равномерно-распределенных нагрузок от оборудования и складируемых материалов принимают по фактическим величинам.

Нормативные значения временных, кратковременных и особых нагрузок для "стадии В" определяются по нормам [10].

При проверке прочности и устойчивости усиленных конструкций коэффициент условия работы γс принимают по нормам [9]. В расчетах на общую устойчивость принимают γс=0.9, если нормы не задают меньшее значение.

Искривления от сварки при проверке устойчивости сжатых и внецентренно сжатых элементов допускается учитывать введением дополнительного коэффициента условий работы γс=0.8.

Коэффициент надежности по назначению принимается для стадий А и Б как для конструкций III класса ответственности временных зданий и сооружений равным γn=0.8, в том случае, если продолжительность пребывания конструкций в этих стадиях не превышает 3-х лет.

В зависимости от условий эксплуатации усиливаемые элементы конструкций разделены на четыре класса, отличающиеся нормой допустимых предельных пластических деформаций [11]:

I класс – сварные конструкции, работающие в особо тяжелых условиях эксплуатации (подкрановые балки при режиме работы кранов 7К и 8К, элементы бункерных и разгрузочных эстакад, работающих на нагрузку от подвижного состава и т.п.). В этих конструкциях пластические деформации не допускаются, относительные остаточные деформации εо=0. Расчет прочности элементов выполняется по упругой стадии.

42

II класс – сварные конструкции, непосредственно воспринимающие подвижные динамические или вибрационные нагрузки, но не входящие в класс I (подкрановые балки с режимом работы кранов IК-6К, балки рабочих площадок и т.п.). Норма предельных пластических деформаций εp,lim=0,001.

III класс – элементы конструкций, работающие на статические нагрузки, кроме элементов, в которых не удовлетворяются требования норм по обеспечению общей и местной устойчивости в процессе развития пластических деформаций. Норма предельных пластических деформаций εp,lim=0,002.

IV класс – элементы конструкций, работающие на статические нагрузки, но не вошедшие в III класс. Норма предельных пластических деформаций

εp,lim=0,004.

При усилении конструкций III класса в случае использования мероприятий по обеспечению общей и местной устойчивости (постановка дополнительных ребер жесткости, диафрагм, связей) их можно отнести к IV

классу.

Статический расчет конструкций, усиливаемых путем увеличения сечения без полной разгрузки, необходимо выполнять на нагрузки, действующие во время усиления (начальное нагружение), и на нагрузки, которые будут действовать после усиления, с выбором невыгодных сочетаний.

Предельный уровень начальных напряжений элементов конструкций, усиливаемых при помощи сварки, ограничивается с целью обеспечения их несущей способности в процессе усиления, и зависит от нормы предельных пластических деформаций в соответствии с их классом. Этот уровень начальных напряжений характеризуется коэффициентом:

0 ,max

0 R yо (74)

где:

– наибольшее напряжение в усиливаемом элементе на момент

усиления; для I класса βо 0.2, для II класса βо 0.4, для III и IV классов βо 0.8.

43

Если указанные условия не выполняются, то необходима предварительная разгрузка конструкций;

Ryo – расчетное сопротивление стали усиливаемого элемента.

Расчет прочности элементов стальных конструкций в зависимости от их принадлежности к классам по предельной норме развития пластических деформаций производится:

-для конструкций II и III классов в виде проверки прочности по критерию краевой текучести (КТ);

-для элементов IV класса по критерию развития пластических деформаций в сечении усиленного элемента, допускается, но ограничивается

введением специальных коэффициентов γN и γM , гарантирующих уровень пластических деформаций εо=0.004.

Значения γN и γM принимаются в зависимости от схемы усиления, соотношения прочностных характеристик стали, уровня и условий нагружения.

44

2. Расчет усиления сжатых стальных элементов на устойчивость

Расчет на устойчивость внецентренно сжатых стальных элементов сплошного сечения в плоскости действия моментов выполняется по формуле:

где:

N – продольная сила;

φе – коэффициент снижения расчетных сопротивлений при внецентренном сжатии (табл. 74 [9]). При расчете на устойчивость симметрично усиленных центрально сжатых элементов коэффициент φе=φ

(табл. 72 [9]);

А – площадь усиленного сечения;

γс – коэффициент условий работы, принимаемый (табл. 6 [9]), но не более

0.9;

Rу* – осредненное значение расчетного сопротивления.

В случае применения элементов усиления из стали, расчетное

принимать равным Ryo.

При α 1.15 осредненное расчетное сопротивление бистального элемента определяется по формуле.

J

где:

45

Ао, А – площади неусиленного и усиленного сечений брутто;

J0, J – моменты инерции соответственно неусиленного и усиленного сечений для оси, относительно которой выполняется проверка устойчивости;

η– коэффициент влияния формы сечения, определяемый (табл. 73 [9]).

Относительный эксцентриситет определяется по формуле:

где:

еf – эквивалентный эксцентриситет, учитывающий особенности работы усиленного стержня;

Wc – момент сопротивления сечения для наиболее сжатого волокна. Расчетное значение эквивалентного эксцентриситета определяется по

формуле:

где:

е – эксцентриситет продольной силы относительно центра тяжести усиленного сечения. Если положение центра тяжести не изменилось после усиления, то е=ео. Если положение центра тяжести изменяется, то его значение определяется выражением:

где:

еА – смещение центра тяжести сечения при усилении, принимаемое со своим знаком (рис. 16).

46

Рис. 16. К определению эксцентриситета продольной силы:

а) – при положительном значении; б) – при отрицательном значении; хо-хо – ось усиливаемого элемента; х-х – ось усиленного сечения.

В общем случае сжатия с изгибом величина еопределяется выражением:

где:

М – расчетный момент относительно центральной оси усиленного сечения.

При несимметричном усилении центрально-сжатого (первоначального)

элемента в качестве ео учитывают случайный эксцентриситет. При этом знак случайного эксцентриситета принимают таким, чтобы учесть наиболее неблагоприятный случай.

Прогиб f*, вызываемый присоединением сваркой элементов усиления, определяется по формуле:

где:

47

fo – начальный (фактический) прогиб усиливаемого элемента,

определяемый при обследовании, но не менее 1/ 750 L ;

∑Jr - сумма моментов инерции элементов усиления относительно их собственных главных осей.

Коэффициент αN, учитывающий влияние продольной силы, определяется по формуле:

где:

Nэ – эйлерова сила для неусиленного стержня, Nэ=(π2·Е·J0)/L02;

N0 – действующая продольная сила при выполнении работ по усилению;

L0 – расчетная длина элемента в плоскости изгиба;

При малых значениях собственных моментов инерции элементов усиления ∑Jr/J<0.1 допускается не учитывать деформации при усилении и принимать f*=f0.

Дополнительный остаточный прогиб, возникающий вследствие сварки элементов усиления fw, определяется по формуле:

где:

а– средний коэффициент прерывистости шва, при сплошных швах а=1;

V=0.04·Kf2 – параметр продольного укорочения элемента от наложения одиночного шва;

Кf – катет связующих швов;

yi - расстояние от i-го шва до центральной оси усиленного сечения, принимаемое со своим знаком;

48

Коэффициент, учитывающий начальное напряженно-деформированное состояние элемента и схему его усиления, определяется по формуле:

Коэффициент, характеризующий уровень начальных напряжений в зоне i-го шва в наиболее нагруженном сечении элемента определяется по формуле:

i 0i (87)

R

yo

u=1.5 – при швах, расположенных в растянутой зоне сечения; u=0.5 – при швах, расположенных в сжатой зоне сечения.

Если сварочный прогиб fw является разгружающим фактором (знак fw не совпадает со знаком суммы (е+f*) и приводит к уменьшению абсолютной величины эквивалентного эксцентриситета, то Кw=0.5, в противном случае

Кw=1.

49

3. Расчет сжатых, растянутых, внецентренно сжатых и внецентренно растянутых стальных элементов на прочность, усиливаемых увеличением сечения

При усилении центрально-сжатых и растянутых элементов рекомендуются симметричные схемы усиления.

При усилении внецентренно сжатых и внецентренно растянутых элементов для уменьшения влияния эксцентриситета рекомендуются несимметричные схемы усиления. Для усиления используются круглые, уголковые, полосовые и другие профили.

Элементы усиления располагают в пределах высоты существующего