1. Общие сведения

Несущая способность сжатых стержней, усиленных предварительно напряженными элементами, повышается более значительно, чем без предварительного напряжения ввиду полной совместной работы старого и нового сечений и уменьшения начального прогиба усиляемого стержня. Предварительное напряжение разгружает сжатые элементы, например, стойки рам как от нормальных сил на величину, равную проекции вектора усиления предварительного напряжения на ось стойки, так и от изгибающих моментов.

Усилия предварительного напряжения усиливающих элементов обычно считаются внешними силами, и поэтому они берутся с коэффициентами перегрузки. Коэффициент учитывает возможность повышения фактического усилия предварительного напряжения над расчетным, - возможность занижения фактического усилия, потери от релаксации, податливости упоров.

В случае обеспечения надежного контроля . Ввиду некоторых отличительных особенностей каждого из предлагаемых приемов усиления их целесообразно рассматривать в отдельности.

2. Усиление сжатых стоек и колонн с применением сварки

После установки и ввода в действие предварительно напряженных эле­ментов усиления напряжения в основном и добавляемых элемен­тах уменьшаются на заданную величину, при которой возможно соединение их с помощью сварки. Сварку производят сначала по концам сплошными, а затем по длине прерывистыми швами. Весьма перспективным является соединение на клею. Усиленный таким образом стержень при равенстве напряжений в основном и добавляемом сечениях будет в дальнейшем работать как мо­нолитный и расчет его можно производить по СНиП II-23-81* Стальные конструкции.

Элементы усиления до отпуска усилия их предварительного напряжения на усиливаемый стержень или их поддомкрачивания прижимают к последнему стяжными хомутами. Для того, чтобы усиленный стержень работал как монолитный, основной и уси­ливающий (усиливающие) элементы после сварки должны иметь со стороны (сторон) их контакта равные напряжения. Для обе­спечения такого равенства напряжений необходимо определить соответствующие значения результирующего (разгружающего) усилия предварительного напряжения N_y. Это усилие можно оп­ределить, исходя из равенства прогибов (кривизны), соответствующего равенству напряжений в усиленном и эквивалентном монолитном стержнях, имеющих одинаковые физические и геоме­трические характеристики.

В упругой области прогиб внецентренно-сжатого усиленного стержня с учетом дополнительного прогиба от влияния сварки , вычисляется, как для монолитного:

(1)

где е – окончательный эксцентриситет;

- нормальная сила в основном стержне до усиления;

остаточный сварочный прогиб;

, (2)

где - коэффициент прерывности шпоночного шва;

- коэффициент; ;

- коэффициент, зависит от вида сварки; для ручной сварки определяется по формуле:

; (3)

- катет шпоночного шва;

- расстояние от оси х до центра тяжести соответствующего шва;

коэффициент, учитывающий влияние напряжений в зоне шва, определяется по формуле:

; (4)

коэффициент, распределения температурного поля шва между основным стержнем и элементом усиления:

, (5)

- соответственно толщина основного стержня в зоне шва и число направлений теплового пото­ка в нем;

- то же для элемента усиления;

коэффициент, принимаемый в зависимости от ;

; (6)

начальное напряжение в основном стержне в зоне шва, рассчитываемое по формуле:

критическая (Эйлерова) сила эквивалентного прямого стержня.

Этому прогибу соответствует изгибающий момент , зная который, можно определить кривизну усиленного стержня. Эту же кривизну легко определить и на основании эпюры, нормальных напряжений в среднем сечении усиленного стержня. Из сравнения выражений кривизны усиленного стержня определяется .

При одностороннем несимметричном усилении со стороны эксцентриситета:

(2)

где и - соответственно площади поперечного сечения элемента усиления и усиливаемого стержня;

- высота поперечного сечения усиливаемого стержня;

- расстояние между центрами тяжести поперечного сечения элемента усиления и усиливаемого стержня;

- момент инерции поперечного сечения усиливаемого стержня относительно оси, перпендикулярной плоскости изгиба.

При двустороннем усилении в плоскости изгиба:

а) для элемента усиления, расположенного со стороны эксцентриситета

(3)

б) для элементов усиления, расположенного в сторону от эксцентриситета

(4)

где и - результирующие (разгружающие) усилия предварительного напряжения соответственно в первом и втором элементах усиления;

и - площади поперечных сечений соответственно первого и второго элемента усиления;

- площадь поперечного сечения усиливаемого стержня;

и - расстояние от центров тяжести поперечного сечения соответственно первого и второго элемента усиления до центра тяжести поперечного сечения усиливаемого стержня.

Для симметричного усиления из плоскости изгиба (бокового симметричного усиления)

(5)

Иногда применение сварки для присоединения элементов усиления бывает невозможным или крайне затруднительным. В этих случаях несоединенные между собой по длине основной и усиливающий стержни работают раздельно. Заметное влияние на работу составных (усиленных) стержней оказывают условия закрепления их концов. Составные стержни, скрепленные только поперечными связями, имеют значительно пониженную несущую способность. Так, для стержня, составленного из двух брусьев, критическая сила равна 0,61 критической силы эквивалентного монолитного стержня. Однако, если такой стержень по концам сварить и таким образом наложить в местах максимального сдвига недостающие связи, то несущая способность такого составного стержня значительно повысится.