Как повысить эффективность усиления изгибаемых элементов стальными балками?

Чтобы повысить эффективность работы стальных усиливающих балок, нужно создать предварительное напряжение: усиливающую (стальную) балку частично нагрузить, а усиливаемую (железобетонную) частично разгрузить — еще до того, как будет приложена дополнительная внешняя нагрузка.

Выполнить предварительное напряжение можно разными способами. Один из них — оттянуть стальную балку книзу (прогнуть) с помощью подвешенных грузов, а в образовавшиеся между ней и железобетонной балкой зазоры вставить металлические распорки (пластины или пакеты из листов). После снятия грузов стальная балка стремится вернуться в исходное состояние (выпрямиться), но железобетонная этому препятствует. В результате, усиливающая балка нагружена силами, направленными сверху вниз, в усиливаемая — теми же силами, направленными снизу вверх (рис. 53). Правда, при этом часть преднапряжения стальной балки теряется (см. следующий вопрос).

Потери напряжений можно исключить, если подобную операцию осуществлять с помощью гидродомкратов, устанавливаемых на усиливающую балку, с контролем усилий в них по манометру. При таком способе происходит одновременный выгиб железобетонной балки и прогиб стальной. Более простой способ — использование вместо домкратов натяжных или упорных болтов, усилия в которых контролируются по величине взаимного смещения f (суммы выгиба и прогиба) железобетонной и стальной балок (рис. 54).

Здесь не были упомянуты потери от обмятия контактных поверхностей, неизбежные при любом преднапряжении. При проектировании усиления их принимают обычно равными 20% начальной величины преднапряжения.

Приведенный пример показывает, что усиление можно выполнять и без разгружения железобетонной конструкции, если создать в ней усилия обратного знака за счет предварительного напряжения усиливающей конструкции.

6.8. Почему теряется часть предварительных напряжений в усиливающей балке при оттяжке ее грузами?

После снятия подвешенного груза F стальная балка жесткостью B_s, получившая прогиб f (рис. 53, а), стремится выпрямиться, т.е. полностью утратить начальные напряжения, но железобетонная жесткостью B_b этому препятствует — она выгибается на величину f _b в то время как прогиб стальной балки уменьшается до величины f _s (рис. 53, б). Поскольку f _s < f _/ происходит частичная потеря напряжений, в результате чего железобетонная балка разгружается не всей силой F, а только ее частью ΔF. Эта же часть нагружает и усиливающую балку. Величина Доопределяется следующим образом. Если пренебречь потерями напряжений от обмятия контактных поверхностей, то f = f _b + f _s. Тогда f = F(k/B_s), f _b = ΔF(k/B_b), f _s = ΔF(k/B_s), где k — условный коэффициент пропорциональности, зависящий от схемы приложения нагрузки (подвески грузов). Отсюда ΔF=FB_b/(B_b+B_s). Следовательно, чем выше жесткость стальной балки по сравнению с железобетонной, тем меньше величина ΔF, тем больше потери напряжений.

Как работает шпренгель?

Шпренгель — это стержневая конструкция, в которой за счет совместных деформаций с усиливаемой железобетонной конструкцией возникает растягивающее усилие Р. Его горизонтальная проекция — распор N'=N—Т (где T — сила трения при перегибе стержней) создает положительный (загружающий) изгибающий момент М_о=N'·е, а вертикальные проекции D — отрицательный (разгружающий) момент М_p. Кроме того, в опорных участках возникают и разгружающие поперечные силы Q_p, в результате чего суммарные усилия ΣM и ΣQ оказываются меньшими, чем усилия М_q и Q_q от внешней нагрузки (рис. 55).

Целесообразно, казалось бы, концы шпренгеля опустить до уровня нейтральной оси усиливаемой балки, исключить образование в ней М₀ и повысить, тем самым, эффективность усиления. Однако ожидаемого результата это не даст, поскольку одновременно уменьшатся значения D. Можно передвинуть весь шпренгель книзу, тогда и значения D сохранятся и M₀ поменяет знак с положительного на отрицательный. Но в этом случае существенно усложняется конструкция шпренгеля, а сам он уменьшает полезный объем здания, поэтому такое решение широкого применения не нашло (а в зданиях с кранами вообще исключено).

В качестве шпренгельной затяжки используют стержневую арматурную сталь больших диаметров, а при необходимости — и прокатные профили из уголков или швеллеров. Как и в случае со стальными балками (см. вопрос 6.6), эффективность работы шпренгелей без предварительного напряжения весьма невелика. Опыт проектирования показывает, что если шпренгели включить в работу даже с самого начала (т. е. установить их при полностью снятой полезной нагрузке), то разгрузить железобетонные балки они в состоянии всего на 5...20%.

Как рассчитывают шпренгели?

Требуемую величину распора N определяют из величины требуемого уменьшения изгибающих моментов и поперечных сил на величину соответственно М_p и Q_p (рис. 55). Далее необходимо найти, какая часть этого распора приходится на совместные деформации шпренгеля с балкой, а какая часть — на его преднапряжение. Точный расчет здесь довольно сложен, поскольку связан с поворотом торцов и линией прогибов балки, зависящих от схемы нагрузки, изгибной жесткости балки, осевой жесткости шпренгеля и др. факторов. Поэтому с достаточной для практики точностью пользуются приближенным расчетом: N = [(M_tot-M)/h+σ_spA_ss]γ ≤ 0,8 R_sA_ss, где М_tot (на рис. 55 обозначен как М_q и М₁ — изгибающие моменты после и до усиления, h — стрела провеса шпренгеля (плечо между N и N'), σ_sp — величина преднапряжения шпренгеля, A_ss — площадь сечения стержней шпренгеля,

γ_ss = 0,8 — коэффициент, учитывающий потери напряжений от обмятия контактных поверхностей, 0,8 — коэффициент условий работы стали. Приравняв выше найденную величину распора к этому выражению, можно определить величину усилия предварительного натяжения, а из нее и площадь сечения стержней шпренгеля. Если усиление проводится при действии полной нагрузки на балку, то первое слагаемое в квадратных скобках становится равным нулю и все усилие N создается только за счет преднапряжения шпренгеля. Саму балку после усиления рассчитывают по прочности как внецентренно сжатый элемент на действие сжимающей силы N' (распора за вычетом потерь от трения при перегибе) и изгибающего момента ΣМ.