ТехЛиб СПБ УВТ

Усиление железобетонных балок намного сложнее, чем металлических, вследствие того, что железобетон – композиционный материал, где арматура работает совместно с бетоном. Зачастую у эксплуатирующей организации отсутствует проектная документация, поэтому положение рабочей арматуры приходится определять дополнительно.

Можно выделить два основных способа усиления или восстановления несущей способности железобетонных балочных конструкций:

• усиление без изменения первоначальной конструктивной схемы;
  
• усиление с ее изменением.
  

Первый способ заключается в увеличении поперечного сечения усиливаемого элемента, что достигается установкой хомутов или устройством специальных рубашек, обойм, накладок, наращиваний с добавлением арматуры, расширением опор. Это приводит к уменьшению пролета, а, следовательно, к изменению расчетной схемы. Но также связано с повышением веса конструкции.

Второй способ состоит в установке дополнительных горизонтальных или шпренгельных затяжек с предварительным натяжением либо комбинированных затяжек, что изменяет расчетную схему конструкции, но лишь незначительно увеличивает ее вес.

В создании предварительного напряжения по нижнему поясу балок при усилении особенно нуждаются монолитные конструкции, не заводского изготовления. Сборные железобетонные элементы и монолитные (т.е. изготовленные непосредственно на строительной площадке) нельзя приравнивать по несущей способности, поскольку у сборных конструкций предварительное напряжение по нижнему (растянутому) поясу создается в нормальных заводских условиях с гарантией качества. В условиях строительной площадки эта операция не может быть выполнена вообще.

По качеству адгезии бетона с арматурой, по надежности и долговечности – между монолитными и сборными железобетонными конструкциями также нельзя поставить знак равенства. Твердение монолитных конструкций на строительной площадке, как правило, происходит с нарушением технологических требований, а разопалубливание проводится до достижения бетоном необходимой прочности.

В то же время в заводских условиях, при автоклавном пропаривании в процессе связывания железобетона участвуют все компоненты бетонной смеси.

Используемые при этом элементы конструктивно просты, изготавливаются из арматуры или фасонного проката   вне   реконструируемого   объекта, устанавливаются с минимальными трудовыми затратами, сразу же включаются в работу после установки и натяжения или увеличения сечения без применения других приспособлений. Они в 2—2,5 раза повышают первоначальную несущую способность изгибаемых элементов, не нарушают интерьеров помещений, могут быть скрыты подвесным потолком и т. п., занимают мало места и незначительно увеличивают сечение или высоту конструкций.

Способы усиления железобетонных балок

а, в — обетонированием; б — хомутами; г, д. е, ж — заделкой и сопряжением на опорах

Для обеспечения совместной работы бетона усиливаемой конструкции с бетоном усиления необходимо как при проектировании, так и при производстве работ уделять внимание мероприятиям, способствующим повышению сцепления старого бетона с новым. В частности, гладкие контактные поверхности рекомендуется подвергать пескоструйной обработке, насечке или обработке металлическими щетками. Непосредственно перед укладкой нового бетона поверхность старого должна быть промыта струей воды под давлением. При этом лишняя вода в виде лужиц должна быть удалена, так как излишнее увлажнение отрицательно влияет на сцепление. При устройстве железобетонных обойм колонн поверхность существующего бетона промывается струей воды под давлением.

Рубашки чаще применяются при усилении монолитных балок ребристых перекрытий. Особое внимание рекомендуется уделять анкеровке поперечной арматуры по концам поперечного сечения рубашек. При усилении колонн хомуты должны привариваться к арматуре усиливаемой колонны, в случае каких-либо затруднений рубашка колонны должна рассчитываться на восприятие всей нагрузки. При усилении монолитных балок ребристых перекрытий хомуты выводятся через плиту через просверленные отверстия и заанкериваются с помощью продольных арматурных стержней.

Усиление наращиванием не рекомендуется при значительной коррозии продольной арматуры усиливаемых элементов и в тех производственных помещениях, где по каким либо причинам запрещено производить сварочные работы.

Усиление наращиванием заключается в том, что усиливаемая конструкция увеличивается по высоте или ширине (снизу, с боков или сверху усиливаемого элемента).

Характерной особенностью этого способа является восприятие касательных напряжений, действующих в плоскости контакта старого бетона с новым, специальной дополнительной арматурой, привариваемой к арматуре усиливаемой конструкции, предварительно обнажаемой скалыванием защитного слоя в местах приварки.

Наращивание применяется для усиления любых железобетонных конструкций (как монолитных, так и сборных). Усиление верхних полок сборных балок покрытий выполняется в случае замены плит покрытий. При наращивании не рекомендуется применение арматурных стержней диаметром менее 10 мм. При скалывании защитного стоя, расположенного в сжатой зоне, следует учитывать временное снижение несущей способности.

В ряде случаев для увеличения несущей способности усиливаемых элементов наращиванием достаточно лишь увеличить количество основной продольной арматуры, для чего рекомендуется сколоть защитный слой не менее чем на 0,5 диаметра арматуры и посредством параллельной приварки через коротыши из арматуры диаметром от 10 до 40 мм и длиной от 50 до 200 мм соединить дополнительную арматуру с существующей.

В растянутой зоне усиливаемых элементов коротыши размещаются на расстоянии 200…1000 мм, в сжатой зоне — на расстоянии не более 500 мм и не более 20 диаметров продольной арматуры усиления. После проведения сварочных работ, взамен сколотого защитного слоя наносится новый — в виде цементной штукатурки или торкретированием. В этих случаях сечение усиливаемого элемента увеличивается незначительно, в пределах от 20 до 80 мм.

При разрывах арматурных стержней в изгибаемых элементах рекомендуется восстанавливать их приваркой напряженных накладок. Предварительно следует подпереть усиливаемую конструкцию временными подпорками, сколоть защитный слой на необходимой длине, приварить стержни усиления (накладки) одним концом, нагреть током, например от сварочного трансформатора, приварить второй конец в нагретом состоянии, восстановить нарушенный защитный слой пластичным бетоном на мелком заполнителе.

Допускается приварка дополнительной арматуры из сталей классов A-I, A-II, A-III к существующей арматуре тех же классов. При арматуре из высокоуглеродистых сталей классов A-IV и выше, а также из канатов и прядей сварка не допускается.

В случаях, когда условия технологического процесса позволяют стеснение габаритов производственных помещений, одним из простых способов усиления изгибаемых элементов (балок, ригелей, рам, ферм и т.п.) является установка дополнительных жестких опор.

Поскольку при выполнении жестких опор на самостоятельных фундаментах полностью избежать осадки опоры весьма затруднительно, то во всех случаях желательно устанавливать их на существующие фундаменты, если даже при этом необходимо их усилить. В этих случаях жесткие дополнительные опоры выполняют в виде порталов или подкосов.

Элементы дополнительных жестких опор могут быть железобетонными и металлическими. Их рекомендуется изготавливать заранее.

При выполнении жестких опор в виде подведенных стоек, имеющих самостоятельные фундаменты, рекомендуется обращать особое внимание на уменьшение осадки этих фундаментов, для чего необходимо осуществлять предварительное обжатие грунта под подошвой. Одним из способов предварительного обжатия грунта является загружение фундамента нагрузкой, не меньшей расчетной, до возведения стойки. Для уменьшения давления на грунт под подошвой нового фундамента рекомендуется устраивать распределительную песчано-гравийную подушку.

При усилении ригеля рамы дополнительными жесткими опорами в виде металлических подкосов накладные металлические детали в нижних углах должны быть закреплены. После подведения подкосов для плотного прилегания сопрягаемых конструкций, обеспечивающих эффективность усиления, необходимо в верхнем узле произвести расклинку клиновидными прокладками. Возможно устройство подкосов с опиранием на металлические обоймы колонн.

В случаях, когда усиливаемая конструкция не может быть предварительно разгружена, установка дополнительных жестких опор должна в обязательном порядке сопровождаться предварительным поднятием усиливаемой конструкции. Подъем усиливаемой конструкции может быть произведен различными способами и зависит как от конструкции дополнительных опор, так и от конструкции усиливаемых элементов.

При усилении ригелей дополнительными жесткими опорами в виде металлических или железобетонных подкосов подъем усиливаемого ригеля может производиться, например, горизонтально расположенным домкратом. Для облегчения перемещения распираемых полураскосов необходимо в зазор между усиливаемым ригелем и полураскосами закладывать металлические подкладки и коротыши из круглой арматурной стали. После подъема усиливаемой конструкции на необходимую величину с обеих сторон полураскосов приваривают распорки из профильного металла, например из швеллеров, а домкрат снимают. При усилении полураскосами, во избежание перегрузки колонн внизу, полураскосы необходимо связать понизу специальной металлической затяжкой.

При усилении ригелей дополнительными жесткими опорами в виде подкоской системы, устанавливаемой на одной колонне, подъем усиливаемой конструкции производится натяжением металлической затяжки посредством натяжной муфты. Для установки подкосной системы в нижней части колонны необходимо предварительно устроить обойму. После установки и стягивания подкосов они в нижней части закрепляются приваркой металлических планок к подкосам. Усиление жесткими дополнительными опорами этого типа в меньшей мере стесняет габариты производственных помещений.

Для усиления изгибаемых элементов применяются также дополнительные упругие опоры, создаваемые обычно с помощью металлических ферм и балок, устанавливаемых под усиливаемым элементом на общие с ними или самостоятельные опоры и воспринимающие нагрузку через прокладки, расположенные в пролете между усиливающим и усиливаемым элементом.

Включение конструкций дополнительных упругих опор в работу может осуществляться подтягиванием в процессе монтажа опорных концов упругих опор к усиливаемому элементу или с помощью расклинивающих прокладок. Вместо расклинивающих прокладок могут устанавливаться распорные болты.

При усилении изгибаемых элементов многоэтажных зданий упругие дополнительные опоры могут быть созданы металлическими тяжами. Реактивная разгружающая сила создается предварительным напряжением тяжей вначале посредством натяжных гаек, а окончательно — натяжными муфтами. Нагрузка от тяжей воспринимается рамой верхнего яруса, к стойкам которой они крепятся.

При усилении ригеля рамы дополнительными жесткими опорами в виде металлических подкосов накладные металлические детали в нижних углах должны быть закреплены. После подведения подкосов для плотного прилегания сопрягаемых конструкций, обеспечивающих эффективность усиления, необходимо в верхнем узле произвести расклинку клиновидными прокладками. Возможно устройство подкосов с опиранием на металлические обоймы колонн.

В случаях, когда усиливаемая конструкция не может быть предварительно разгружена, установка дополнительных жестких опор должна в обязательном порядке сопровождаться предварительным поднятием усиливаемой конструкции. Подъем усиливаемой конструкции может быть произведен различными способами и зависит как от конструкции дополнительных опор, так и от конструкции усиливаемых элементов.

При усилении ригелей дополнительными жесткими опорами в виде металлических или железобетонных подкосов подъем усиливаемого ригеля может производиться, например, горизонтально расположенным домкратом. Для облегчения перемещения распираемых полураскосов необходимо в зазор между усиливаемым ригелем и полураскосами закладывать металлические подкладки и коротыши из круглой арматурной стали. После подъема усиливаемой конструкции на необходимую величину с обеих сторон полураскосов приваривают распорки из профильного металла, например из швеллеров, а домкрат снимают. При усилении полураскосами, во избежание перегрузки колонн внизу, полураскосы необходимо связать понизу специальной металлической затяжкой.

При усилении ригелей дополнительными жесткими опорами в виде подкоской системы, устанавливаемой на одной колонне, подъем усиливаемой конструкции производится натяжением металлической затяжки посредством натяжной муфты. Для установки подкосной системы в нижней части колонны необходимо предварительно устроить обойму. После установки и стягивания подкосов они в нижней части закрепляются приваркой металлических планок к подкосам. Усиление жесткими дополнительными опорами этого типа в меньшей мере стесняет габариты производственных помещений.

Для усиления изгибаемых элементов применяются также дополнительные упругие опоры, создаваемые обычно с помощью металлических ферм и балок, устанавливаемых под усиливаемым элементом на общие с ними или самостоятельные опоры и воспринимающие нагрузку через прокладки, расположенные в пролете между усиливающим и усиливаемым элементом.

Включение конструкций дополнительных упругих опор в работу может осуществляться подтягиванием в процессе монтажа опорных концов упругих опор к усиливаемому элементу или с помощью расклинивающих прокладок. Вместо расклинивающих прокладок могут устанавливаться распорные болты.

При усилении изгибаемых элементов многоэтажных зданий упругие дополнительные опоры могут быть созданы металлическими тяжами. Реактивная разгружающая сила создается предварительным напряжением тяжей вначале посредством натяжных гаек, а окончательно — натяжными муфтами. Нагрузка от тяжей воспринимается рамой верхнего яруса, к стойкам которой они крепятся.

Для усиления в основном сборных балок покрытия больших пролетов и ферм под нагрузкой могут быть рекомендованы предварительно напряженные шарнирно-стержневые цепи. Применение шарнирно-стержневых цепей позволяет создать противоположную по знаку нагрузку в виде ряда сосредоточенных грузов, расположение и величины которых намечаются заранее в зависимости от очертаний цепей. Эффект усиления (создание реактивных сил заданных величин) достигается натяжением статически определимой цепи.

Основными элементами при усилении этим способом являются: собственно шарнирно-стержневая цепь, состоящая из двух одинаковых ветвей по обе стороны усиливаемой балки (уголки с подрезанными вертикальными полками в местах перегиба, арматурные стержни до 30…36 мм диаметром или канаты); анкерные устройства в виде сварных накладок из листового металла в верхней зоне балок над опорами; подвески, обычно из круглой стали, или стойки из профильного металла в местах перегиба ветвей цепи. Арматурные стержни принимаются из стали классов A-I, A-II, A-III, металлические конструкции — из сталей ВСт3сп, ВСт3пс, ВСт3кп. Сварные соединения необходимо выполнять с особой тщательностью.

Все элементы цепи рекомендуется изготавливать заранее в соответствии с размерами усиливаемой балки, тщательно проверенными в натурных условиях. Элементы цепи следует устанавливать в определенной последовательности. К закрепленным на балке анкерным устройствам подвешивают обе ветви цепи с заранее прикрепленными подвесками, имеющими на концах винтовую нарезку, и соединительными планками. Если кроме подвесок требуются и стойки, то их устанавливают, оставляя свободным место для центральной подвески (стойки).

При закручивании гаек все соединительные планки подвесок плотно притягиваются к усиливаемой балке, а цепь получает некоторое натяжение, вследствие которого происходит обжатие анкерных устройств и обмятие всех промежуточных узлов, что приводит к устранению или уменьшению потерь напряжений в дальнейшем. Затем натяжение ослабляется и узлы устанавливаются в проектное положение в соответствии с цепной линией. При креплении ветвей цепи к анкерным устройствам на болтах имеется возможность регулировать длину цепи, что позволяет установить цепь в проектное положение с большей точностью.

При проектировании очертания цепи рекомендуется принимать его таким, чтобы тангенсы углов наклона отдельных звеньев, начиная от середины, относились между собой как 1:3:5 и т.д. Соблюдение этого условия приводит к тому, что усилия (реактивные силы) во всех подвесках и стойках будут примерно одинаковой величины, и основное натяжение можно производить в месте расположения центральной подвески или стойки. Величина усилия предварительно определяется теоретически.

Для основного натяжения ветвей цепи в месте расположения центральной подвески или стойки применяются различные способы. В случаях, когда цепь располагается выше низа усиливаемой балки, т.е. требуется установка подвески, натяжение можно осуществлять посредством закручивания гаек динамометрическим ключом с помощью домкрата с манометром, упирающегося в низ балки, и другими способами. Показания манометра позволяют достаточно точно определять величину разгружающей нагрузки. Независимо от расположения цепи относительно усиливаемой балки можно осуществить натяжение ее ветвей оттарированным грузом с последующей фиксацией узла подвеской или стойкой. При натяжении этим способом также обеспечивается достаточный контроль.

Для усиления изгибаемых элементов многопролетных зданий или конструкций (сборных балок покрытия, второстепенных балок монолитных ребристых перекрытий и т.п.) в приопорных зонах могут применяться двухконсольные предварительно напряженные разгружающие кронштейны, устанавливаемые на промежуточных опорах.

При усилении сборных балок покрытия обе ветви кронштейнов представляют собой треугольные фермы. Нижний пояс выполняется из одного уголка, а верхний пояс и решетка могут быть выполнены как из одинарных уголков, так и из круглых арматурных стержней.

Высота кронштейнов принимается равной высоте надопорной части усиливаемых балок. Длины консольных частей кронштейнов рекомендуется принимать равными 1/4 — 1/6 пролета усиливаемых балок. При небольшой длине консольных частей можно вообще отказаться от внутренних элементов решетки.

Частями кронштейна являются ветви кронштейнов, опорные элементы (опорный лист или седлообразные накладки), соединительные элементы в виде отрезков уголков или круглых стержней, упорные устройства, прикрепляемые под низом усиливаемой балки к концам ветвей кронштейна. Эти устройства служат для создания опор усиливаемых балок и могут иметь различную конструкцию в зависимости от способа натяжения кронштейна.

Конструкция упорного устройства зависит от способа натяжения. При натяжении болтами она представляет собой жесткий элемент, пропускаемый под низом усиливаемой балки и закрепляемый на болтах к ветвям кронштейна. Контроль натяжения осуществляется по прогибу концов кронштейна. При натяжении подвеской оттарированного груза жесткий элемент упорного устройства приваривается к ветвям кронштейна, для чего в нем предусматриваются отверстия или привариваются петли. После натяжения в зазор между низом балки и пластиной упорного устройства плотно укладываются фиксирующие прокладки, а грузы снимаются. Потери напряжения устраняются подвеской груза на 10…15 % большего, чем требуемая разгружающая нагрузка. После натяжения домкратами, устанавливаемыми между упорами, подвешенными на концах кронштейна, и низом балки, также укладывают фиксирующие прокладки. Контроль натяжения осуществляют по манометру домкрата. Поскольку эта система является статически определимой, свободно вращающейся на средней опоре, то можно производить натяжение только одного конца кронштейна. Усилие на другом конце в этом случае будет также известно.

Разгружающие кронштейны могут выполняться также в виде сплошных балок из прокатного металла.

В случаях, если усиление вызвано нарушением анкеровки продольной рабочей арматуры, вынос опоры или кронштейна от опорного листа балки должен быть не менее 40 диаметров при стержневой арматуре периодического профиля и не менее 80 диаметров при арматуре из высокопрочной проволоки.

При усилении балок покрытия многопролетных зданий рекомендуется применять одновременно различные конструктивные решения для крайних и средних пролетов. Для крайних пролетов можно применить предварительно напряженный шпренгель, для средних — предварительно напряженные разгружающие кронштейны.

Для монолитных и сборных изгибаемых элементов в случаях необходимости проведения работ в минимальные сроки без снятия временной нагрузки может быть рекомендован способ усиления посредством установки дополнительной предварительно напряженной арматуры.

Добавочная арматура может быть как горизонтальной, так и шпренгельной. Возможна также установка горизонтальной и шпренгельной арматуры одновременно. В результате установки дополнительной арматуры с предварительным ее напряжением меняется напряженно деформированное состояние усиливаемых балок. Предварительное напряжение включает дополнительную арматуру в совместную работу с усиливаемой балкой, которая может рассматриваться как изгибаемая конструкция с увеличенной площадью арматуры, дополнительная часть которой не имеет сцепления с бетоном, и с изменяющейся рабочей высотой.

Способ усиления установкой дополнительной предварительно напряженной арматуры имеет несколько разновидностей, которые отличаются друг от друга анкеровкой дополнительной арматуры и способом ее натяжения.

Натяжение дополнительной арматуры может производиться механическим, электротермическим или электротермомеханическим способами.

При механическом способе натяжение напрягаемой арматуры производится с помощью домкратов, динамометрических ключей, натяжных болтов, стяжных хомутов, притягивающих тяжи друг к другу, а также специальных усиливающих устройств шпренгельного или рычажного типа.

Одним из способов закрепления дополнительной арматуры в случаях, когда анкерные устройства нельзя разместить на торцах балки, является их приварка к существующей арматуре. В этих случаях скалывают защитный слой на небольших участках в приопорных зонах, т.е. там, где напряжения в арматуре усиливаемой балки незначительны. К обнаженной рабочей арматуре необходимо приварить коротыши, диаметр которых несколько больше толщины защитного слоя, при этом не следует нарушать стержни поперечного армирования или хомуты. К коротышам приваривают арматурные стержни усиления. Натяжение в данном случае производят термическим способом.

Стержни усиления устанавливают в проектном положении с помощью временных подвесок, количество которых следует назначать так, чтобы исключить провисание под действием собственного веса. Стержни должны быть максимально прямолинейными. Один конец стержня приваривают к коротышу, а второй остается свободным. Стержень включают в электрическую цепь и нагревают до расчетной температуры. Свободный конец прижимают к коротышу и приваривают. В процессе сварки до полного остывания шва необходимо поддерживать постоянную расчетную температуру. Для предотвращения выпучивания продольной арматуры в местах приварки дополнительной напряженной арматуры коротыши желательно располагать рядом с одним из хомутов со стороны пролета.

Прокладки, подкладки, и другие детали при усилении шпренгельной арматурой и ее натяжении необходимо устанавливать в местах перегибов стержней между нижней гранью усиливаемой балки и шпренгельными стержнями. Конструкции этих элементов зависят от способа натяжения стержней, расстояния между нижней гранью усиливаемой балки и стержнями усиления и ширины усиливаемой балки.

В отдельную группу усиления дополнительной арматурой могут быть объединены и рекомендованы к применению затяжки, напрягаемые посредством взаимного стягивания двух или четырех стержней специальными стяжными болтами. Стяжные болты должны иметь вид хомута с двумя нарезными концами и общей шайбой. Натяжение производится одновременным подтяги ванием гаек на обоих концах этого хомута. Натяжение посредством взаимного стягивания характеризуется простотой и не требует значительных усилий, поскольку напряжения в стяжных болтах (хомутах) в 7…10 раз меньше напряжений в стягиваемых дополнительных стержнях. Данный способ позволяет создать во всех стягиваемых стержнях (двух или четырех) равномерные усилия, т.е. обеспечивает их саморегулирование. Стягивание может производиться одним стяжным болтом или двумя, с промежуточными распорками или без них. Вертикальные стержни анкеров-затяжек пропускаются через просверленные в перекрытии отверстия для анкеровки.