922
.pdf
Усиление верхнего пояса балок путем наращивания обоймами из швеллеров (рис.
5.25, а) состоит в том, что к верхней части балки покрытия прикрепляют на болтах два
швеллера, к которым с двух сторон приваривают уголки усиления полки швеллера. Снизу
к швеллерам приваривают упоры из уголков, через которые в заранее пробитые в стенке
балки отверстия пропускают болты. В подготовленную обойму заливается новый мелко-
зернистый бетон с уплотнением бетонной смеси.
При одностороннем наращивании (рис.5.25, б) следует обнажить в верхней полке
балки покрытия рабочую арматуру и приварить к ней через соединительные элементы
дополнительную арматуру. Затем установить временную опалубку в габаритах толщины
балки и осуществить заливку нового мелкозернистого бетона.
а) |
б) |
в) |
Рис.5.25. Усиление сборных балок покрытия наращиванием сверху:
а – обоймой из швеллеров; б – односторонним наращиванием сверху; в – железобетонной рубашкой; 1 – усиливаемая балка; 2 – плита перекрытия; 3 – швеллеры; 4 – уголки усиления; 5 – упоры для стяжных болтов; 6 – стяжные болты; 7 – соединительные элементы на сварке; 8 – арматура балки; 9 – дополнительная арматура
Для усиления верхнего пояса стропильной балки с помощью железобетонной ру-
башки (рис. 5.25, в), как и при одностороннем наращивании, в верхней полке обнажают
рабочую арматуру, к которой через соединительные элементы приваривают дополни-
тельную арматуру рубашки. Однако временную опалубку для заливки бетона устраивают
не в габаритах толщины балки, а согласно расчетной толщины рубашки.
Укладку нового бетона производят с обязательным тщательным уплотнением бе-
тонной смеси.
5.3. Способы усиления строительных металлоконструкций
Научно-исследовательскими и проектными институтами разработано множество
разнообразных способов усиления строительных металлоконструкций, приведенных в
работах [38, 48, 57, и др.], которые классифицируются на следующие группы:
- изменение статической схемы конструкций с рациональной технологией произ-
водства работ;
-увеличение площади сечения;
-местное усиление;
321
- усиление соединений.
Изменение статической схемы конструкций с рациональной технологией производ-
ства работ осуществляется путем подведения или установки дополнительных опор, под-
косов или подвесок; постановки дополнительных связей и распределительных систем;
превращения разрезных систем в неразрезные и наоборот; введения новых стержневых элементов и систем для рационального изменения статической схемы; введения шарниров и создания заданной жесткости; предварительного напряжения конструкций [12], [38] и
др.
Увеличение площади сечения для усиления несущей способности металлокон-
струкций производят присоединением к существующему элементу на сварке или высоко-
прочных болтах дополнительного элемента, увеличивающего площадь первого.
К местному усилению прибегают в том случае, когда требуется исправить местные дефекты (искривления, прогибы, трещины и т.п.). Этот вид усиления осуществляется пу-
тем установки дополнительных элементов, перекрывающих местные дефекты (накладки,
фасонки и т.п.); установки дополнительных скреплений элементов (прокладки между спа-
ренными элементами, планки и решетки между ветвями двухполостных элементов и т.п.);
установки дополнительных ребер жесткости; герметизации полостей клепанных и болто-
вых стыков и т.п.
Усиление соединений элементов металлоконструкций выполняют за счет увеличе-
ния катета и длины сварных швов, а также постановки дополнительных болтов или заме-
ны заклепок болтами для болтовых и заклепочных соединений.
5.3.1. Усиление металлических рамных каркасов
промышленных зданий
При длительной эксплуатации каркасы промышленных зданий от воздействия внешних и внутренних усилий расшатываются и нуждаются в усилении [12]. Исследо-
ваниями и практикой установлены следующие основные способы усиления рамных кар-
касов промышленных зданий:
-увеличение степени статической неопределенности рам;
-повышение жесткости элементов рам;
-увеличение связности системы рам;
-перераспределение усилий в отдельных рамах или в системе в целом.
Повысить жесткость каркаса промышленного здания можно за счет устройства продольных горизонтальных связей в плоскости нижних поясов ферм и вертикальных связей между фермами, которые обеспечивают пространственную работу каркаса здания,
объединения отдельные вертикальные рамы в пространственную систему (рис.5.26).
322
Постановка горизонтальных связей по нижнему поясу ферм создает жесткий диск,
воспринимающий все горизонтальные реакции колонн в уровне нижнего пояса ферм и пе-
редающий их на конструкции торцевого фахверка.
Рис.5.26. Усиление металлических ферм введением продольных вертикальных (а) и горизонтальных (б) распределительных систем связей:
1 – усиливаемая ферма; 2 – продольная дополнительная вертикальная ферма; 3 – горизонтальная дополнительная связевая ферма; 4 – дополнительная горизонтальная распорка
Для этой же цели целесообразно вдоль здания установить горизонтальные распор-
ки между колоннами (4), а в центре температурного блока - вертикальные связи (2). Та-
кой способ усиления приводит к разгрузке отдельных рам при воздействии на них крано-
вых нагрузок за счет перераспределения части нагрузок на смежные рамы в уровне ниж-
него пояса ферм и передачи их на конструкции торцевого фахверка.
Установку продольных вертикальных связей между фермами целесообразно вы-
полнять, когда рамы каркаса испытывают воздействие подвесного транспорта. Эти связи позволяют перераспределить нагрузку от подвесного транспорта на несколько ферм и по-
вышают продольную жесткость каркаса здания.
Одним из способов усиления металлических рам является введение затяжек, кото-
рые могут быть расположены в узлах сопряжения ригеля и стоек и на некотором расстоя-
нии ниже ригеля. Размещение затяжек на уровне опорных шарниров нерационально, так как разгрузка средней части ригеля связана с одновременным возрастанием усилий в стойках и узлах рамы.
5.3.2. Усиление металлических колонн одноэтажных и многоэтажных промышленных зданий
Усиление металлических колонн может осуществляться путем: уменьшения расчетной
длины; введением затяжек и оттяжек; устройства переносных преднапряженных устройств;
323
установки предварительно напряженных распорок; обетонирования колонн; увеличением
сечения колонн.
Схему усиления колонн выбирают с учетом конкретных условий, состояния усили-
ваемых конструкций, причин, вызвавших необходимость усиления, а также экономиче-
ских соображений.
Для группы колонн целесообразно использовать способ установки дополнительных
связей или с помощью жестких предварительно напряженных раскосов и распорок, так
как при этом помимо усиления происходит повышение их устойчивости (рис.5.27, а-б).
Для высоких колонн большой гибкости необходимо вводить предварительно
напряженные оттяжки (рис.5.30, г) или шпренгельные затяжки (рис.5.27, д, е).
Рис.5.27. Схемы усиления металлических сжатых колонн:
а - гибкими раскосами и распорками; б - предварительно напряженными жесткими раскосами и распорками; в - жесткими подкосами ; г - предварительно напряженными оттяжками; д, е - шпренгельными затяжками; 1-
существующие колонны; 2 - существующие связи; 3 - дополнительные диагональные связи; 4- дополнительные распорки; 5 - подкосы; 6 - оттяжки; 7-
Возможен вариант превращения шарнирных баз колонн в жесткие путем усиления
башмака колонны дополнительным армированием с последующим обетонированием этой
конструкции. При этом рекомендуется вводить хомуты для обеспечения монолитного со-
единения башмака с фундаментом. Для восприятия значительной нагрузки на колонну од-
новременно с усилением башмака колонны необходимо увеличить размер опорной плиты
иустановить дополнительные ребра на сварке.
Внастоящее время для усиления колонн многоэтажных промышленных зданий
наиболее часто применяют следующие предварительно напряженные элементы: телеско-
пический и инвентарный шпренгели и жесткие распорки с поддомкрачиванием, приве-
денные на рис.5.28.
а) |
б) |
в) |
324
Рис.5.28. Усиление металлических колонн с помощью индивидуальных предварительно напряженных шпренгелей:
а - телескопической опорой; б - жесткими распорками; в - индивидуальным шпренгелем: 1- усиливаемая колонна; 2- элемент усиления из трубы; 3- напрягаемая внутренняя труба; 4- тяж для стягивания стоек усиления; 5- распорные усиливающие стержни;; 6- элемент усиления; 7- шпренгельная тяга; 8- винтовое устройство
Телескопические предварительно напряженные трубы (рис.5.28, а) рекомендуется использовать для усиления под полной эксплуатационной нагрузкой как центрально, так и внецентренно сжатых колонн. При усилении центрально сжатых колонн опоры из теле-
скопических труб необходимо устанавливать симметрично, а при внецентренно сжатых – в сторону эксцентриситета. Усиливаемый элемент изготавливают из двух телескопически соединенных труб, оба нижних торца которых приваривают к башмаку. Затем наружную трубу удлиняют нагреванием и приваривают ее верхний конец к оголовку внутренней трубы. При остывании наружная труба сжимает внутреннюю, в результате чего создается предварительно напряженный элемент усиления. Его устанавливают в проектное положе-
ние, расклинивают и соединяют с усиливаемой колонной хомутами. Затем наружную тру-
бу разрезают по окружности для освобождения внутренней трубы от сжатия наружной и передачи части нагрузки с усиливаемой колонны на внутреннюю трубу. После чего разрез наружной трубы заваривают, образуя опору из двух совместно работающих телескопиче-
ских труб.
Усиление колонн с помощью жестких распорок (рис.5.28, б), изготовленных из прокатных профилей, осуществляют в следующей последовательности. Жесткие распорки устанавливают симметрично с обеих сторон колонны на опорные уголки, временно рас-
крепляют, а затем с помощью домкрата и винтового устройства обеспечивают им верти-
кальное положение. В жестких распорках при этом создаются растягивающие напряже-
ния, которые воспринимают часть нагрузки от горизонтальных ригелей и тем самым спо-
собствуют усилению колонн. После выпрямления жестких распорок, их сваривают с ко-
лонной, после чего снимают горизонтальные тяжи, траверсы, домкрат и винтовое устрой-
ство.
Индивидуальный переносной шпренгель состоит из элемента усиления в виде про-
катного профиля, стального шпренгеля и винтового устройства (рис.5.28, в). В отличие от предыдущих устройств предварительное напряжение в индивидуальном переносном шпренгеле создается до установки в проектное положение за счет раскручивания винтово-
го устройства. После установки шпренгеля в проектное положение винтовое устройство скручивается и в элементе усиления создается растягивающее напряжение, которое пере-
дается на балки перекрытия, разгружая при этом усиливаемую колонну.
325
Преимуществом таких устройств является выигрыш в силе, а также возможность простого и достаточно точного контроля. Напряжение в элементах усиления контролиру-
ют с помощью тензодатчиков или по изменению стрелки прогиба шпренгелей.
Для усиления металлических колонн одноэтажных промышленных зданий обычно изменяют их конструктивную схему или увеличивают поперечное сечение (рис.5.29).
Рис.5.29. Повышение несущей способности металлических колонн одноэтажных зданий введением дополнительных элементов усиления:
1 – усиливаемая колонна; 2 – элемент усиления колонны
Сущность первого способа заключается в введении в конструктивную схему от-
дельной ветви, которая не нарушая целостности ослабленной части усиливаемой колонны,
позволяет увеличить ее несущую способность (рис.5.29).
Этот способ рекомендуется применять, когда нерационально увеличивать сечение старой колонны или использовать иные приемы усиления. В качестве дополнительных ветвей усиления обычно используют металлические трубы (рис.5.29, а), элементы тавро-
вого (рис.5.29, б) или двутаврового (рис.5.29, в) сечения, а также подкосы в виде соедине-
ния из двух швеллеров (рис.5.29, г) или стойки из парных двутавров (рис.5.29, д).
Если колонна имеет деформации, не препятствующие ее нормальной эксплуатации,
ее усиливают путем введения дополнительных элементов усиления решетки (рис.5.30).
326
Рис.5.30. Повышение несущей способности металлических колонн одноэтажных зданий усилением решетки колонны:
1 – усиливаемая колонна; 3- элемент усиления решетки колонны
Дополнительные элементы устанавливают в виде второй раскосной решетки сна-
ружи из уголков или пластин (рис.5.30, а, б), так и внутри колонны, соединяя наружные
элементы решетки (рис.5.30, в).
Наиболее простым и часто употребляемым способом повышения несущей способ-
ности сплошных и сквозных колонн является способ, основанный на увеличении попе-
речного сечения колонн с помощью прикрепления к ним на сварке или высокопрочных
болтах дополнительных элементов усиления из профильного или листового проката /35,
48/. Такой способ является достаточно эффективным и может применяться практически
при любом повышении нагрузок (рис.5.31).
Рис. 5.31. Схемы усиления металлических колонн сплошного сечения двутаврового профиля способом увеличения сечения:
1- усиливаемая колонна; 2- усиливаемый элемент
На рис.5.32 изображены варианты усиления металлических колонн квадратного и круглого сечения увеличением их поперечного сечения:
327
Рис.5.32. Схемы усиления металлических колонн сплошного сечения двутаврового профиля способом увеличения сечения:
1- усиливаемая колонна; 2- усиливаемый элемент
Для усиления решетчатых колонн применяют способы увеличения сечения, представленные на рис.5.33.
Рис.5.33. Схемы усиления металлических сквозных колонн способом увеличения сечения:
1- усиливаемая колонна; 2- усиливаемый элемент
Недостатком метода увеличения сечения колонн является необходимость частич-
ной разгрузки на время усиления из-за возможности дополнительного изгиба свариваемых элементов под влиянием сварочных напряжений, которые могут привести к потере несу-
щей способности элементов металлических колонн. Поэтому такое усиление колонн должно проводиться с частичной разгрузкой, чтобы напряжение в них не превышало 40 %
расчетного сопротивления старого металла. Кроме того, большая протяженность сварных швов и необходимость в некоторых случаях разбирать стеновое ограждение и устраивать подмости по всей высоте колонн повышают трудоемкость работ по их усилению. Этот способ усиления требует выполнения большого объема сварочных работ на месте усиле-
ния, что может вызвать необходимость остановки производственного процесса.
5.3.3. Усиление металлических балок и прогонов производственных зданий
Металлические балки и прогоны обычно применяются в многоэтажных производственных зданиях и в различных этажерках химической промышленности. Типы сечений металли-
ческих балок перекрытий пролетом до 12 м (а) и более 12 м (б) приведены на рис.5.34.
328
Рис.5.34. Типы сечений металлических балок перекрытий пролетом до 12 м (а) и более 12 м (б)
1- усиленная балка в сечении с максимальным изгибающим моментом; 2- усиленная балка железобетонной плитой перекрытия
Усиление металлических балок и прогонов может быть местным и общим. Мест-
ное усиление осуществляется с помощью металлических накладок, ребер, обетонирования и т.д., а общее – путем установки шпренгелей, затяжек или жесткого опорного закрепле-
ния, приведенных в работе [60[.
Наиболее простым способом усиления металлических балок и прогонов является увеличение их сечения на участках наибольших напряжений с помощью приварки или крепления на высокопрочных болтах специальных усиливаемых элементов из прокатных профилей (уголков, труб, швеллеров и двутавров), варианты которых приведены на рис.
5.35.
Наиболее рациональны схемы двустороннего усиления балок, не приводящие к значительному смещению центра тяжести сечения (рис.5.35, а). По данным А.В. Бирюлева
[60] при усилении балок нет необходимости выполнять эту работу по всей длине, доста-
точно ограничиться только участками длиной 2/3 длины балки с максимальным изгибаю-
щим моментом.
В случаях, когда усиление верхнего пояса по схеме (рис.5.35, а) связано с необхо-
димостью частичного или полного демонтажа настила, возможно выполнить усиление по типу схем (рис.5.35, б-г). Недостатком схем (рис.5.35, б-г) является большой объем сва-
рочных работ, связанных с наложением потолочных швов, и значительное ослабление се-
чений при сварке под нагрузкой. Кроме того, эти схемы связаны с трудоемкими операци-
ями по обрезке и надставке ребер жесткости (рис.5.35, в, г, детали Б и В).
К несимметричному одностороннему усилению по схеме (рис.5.35, д) прибегают в тех случаях, когда двустороннее усиление экономически и технически нецелесообразно.
Несимметричное одностороннее усиление обычно осуществляют с помощью швеллеров,
тавров и двутавров по типу схем (рис.5.38, е-ж). Недостатком такого усиления является сложность прикрепления элементов усиления с помощью потолочных швов или высоко-
329
прочных болтов. Однако, схемы (е-ж) наиболее эффективны, так как обеспечивают зна-
чительное увеличение высоты сечения балок.
Рис.5.35. Варианты усиления изгибаемых элементов путем увеличения сечения:
а-г – схемы двустороннего усиления; д-ж – то же, одностороннего усиления; 1– существующее ребро жесткости; 2– линия обреза ребра;3 – надставка ребра
Для повышения местной устойчивости и недостаточной несущей способности
участков стенок балок устанавливают на этих участках короткие поперечные, продольные
или наклонные ребра жесткости, ограничивая их продольными ребрами (рис.5.36).
Рис.5.36. Схемы местного усиления стенок двутавровых балок:
1 – дополнительные накладки; 2-5 – дополнительные поперечные, продольные и наклонные ребра
Дополнительные ребра к стенке балки можно прикреплять с помощью высоко-
прочных болтов, прерывистых или сплошных сварных швов. Сварные соединения более
технологичны, но приводят к ослаблению сечения усиливаемого элемента в процессе
сварки.
Достаточно простым и эффективным способом усиления металлических балок яв-
ляется преобразование разрезных балок в неразрезные многопролетные (рис.5.37). Он вы-
полняется без увеличения строительной высоты, но требует свободного доступа к узлам
сопряжения. Преобразование осуществляется путем жесткого крепления (сварка) внут-
330