Усиление стальной балки шпренгелем
Обновлено: 18.05.2024
Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при усилении несущих конструкций балочного типа. Технический результат - упрощение способа усиления балок и снижение его трудоемкости. Способ усиления балки включает присоединение к балке стоек шпренгеля усиления, установку стоек временного шпренгеля, объединенных жесткой вставкой, и прикрепление к балке усиливающей затяжки. После введения в полости стоек шпренгеля усиления стоек временного шпренгеля концевые петли затяжек временного шпренгеля заводят за выступы опорных фасонок, затем к жесткой вставке временного шпренгеля подвешивают грузы, а парные клиновидные ограничители вводят в прорези стоек временного шпренгеля и сдвигают навстречу друг другу до фиксации положения стоек временного шпренгеля. После этого снимают грузы, в отверстия стоек шпренгеля усиления пропускают усиливающую затяжку, заводят ее концевые петли за выступы опорных фасонок, раздвигают парные клиновидные ограничители и демонтируют временный шпренгель. 8 ил.
Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при усилении несущих конструкций балочного типа (например, балок покрытий, перекрытий, подкрановых балок и т.п.).
Изобретение может быть применено при усилении как отдельных балок, так и при усилении регулярно установленной системы балок, при котором возможно многократное использование инвентарного оборудования.
Известен способ предварительного напряжения шпренгельных балок, преимущественно большепролетных покрытий, включающий установку рычагов, присоединение к их средним частям концов затяжки и направляющей со стяжными приспособлениями, к которым прикрепляют одни концы рычагов, подвижно соединенные с направляющей, при этом рычаги выполняют спаренными и соединяют другими концами с предварительно напрягаемой балкой жесткости, а направляющую и концы затяжки размещают между ними, причем концы затяжки жестко закрепляют к рычагам [1].
Недостатком известного технического решения является сложность и трудоемкость его осуществления, связанная с необходимостью монтажа мощных рычагов, направляющих, стяжных приспособлений, а также осуществления прикреплений в местах опирания рычагов на балку жесткости и жесткого закрепления затяжки к рычагам. Кроме того, известное техническое решение предусматривает объединение затяжки при помощи вставки, помещаемой между спаренными рычагами, что также увеличивает трудоемкость процесса предварительного напряжения.
Также известен способ натяжения затяжки несущей конструкции и устройство для его осуществления, включающее заанкеривание затяжки, ее установку с притяжением к распорным стойкам. Причем затяжку устанавливают без натяжения, а затем притягивают к вершинам распорных стоек натяжным оборудованием. Стойки выполнены цельными с расположенными в их вершинах площадками для упора натяжного оборудования и снабжены хомутами, соединенными с затяжкой [2]. Такой способ натяжения может быть применен при усилении балок с установкой шпренгеля снизу (принято за прототип).
Недостатком такого технического решения является сложность и трудоемкость способа натяжения затяжки, обусловленная необходимостью закрепления на каждой из стоек натяжных устройств и комплектов хомутов, соединения их с затяжкой, а после окончания процесса натяжения затяжки - их демонтажа. Увеличение числа стоек в шпренгеле усиления приводит к пропорциональному повышению трудоемкости способа натяжения.
Задачей изобретения является упрощение способа усиления балок предварительно напряженным шпренгелем и, как следствие, снижение его трудоемкости.
Технический результат достигается тем, в способе усиления балки предварительно напряженным шпренгелем, включающем присоединение к балке стоек шпренгеля усиления, установку стоек временного шпренгеля, объединенных жесткой вставкой, и прикрепление к балке усиливающей затяжки, после введения в полости стоек шпренгеля усиления стоек временного шпренгеля концевые петли затяжек временного шпренгеля заводят за выступы опорных фасонок, затем к жесткой вставке временного шпренгеля подвешивают грузы, а парные клиновидные ограничители вводят в прорези стоек временного шпренгеля и сдвигают навстречу друг другу до фиксации положения стоек временного шпренгеля, после чего снимают грузы, в отверстия стоек шпренгеля усиления пропускают усиливающую затяжку, заводят ее концевые петли за выступы опорных фасонок, раздвигают парные клиновидные ограничители и демонтируют временный шпренгель.
Предлагаемое техническое решение описывается следующими графическими материалами: - на фиг.1 представлен общий вид балки со шпренгелем усиления и временным шпренгелем; - на фиг.2 - узел "А" на фиг.1; - на фиг.3 - вид по 1 - 1 на фиг.2; - на фиг.4 - вид по 2 - 2 на фиг.3; - на фиг.5- узел "Б" на фиг.1; - на фиг.6 - вид по 3 - 3 на фиг.5; - на фиг.7 - вид по 4 - 4 на фиг.5; - на фиг.8 представлен общий вид усиленной балки.
В способе усиления балки предварительно напряженным шпренгелем, к балке 1 прикрепляют стойки 2 (например, на сварке) шпренгеля усиления 3, в полости стоек 2 (например, трубчатой формы) шпренгеля усиления 3 вводят стойки 4 (например, трубчатого поперечного сечения) временного шпренгеля, объединенные жесткой вставкой 5 с прикрепленными затяжками 6 временного шпренгеля, концевые петли 7 затяжек 6 временного шпренгеля заводят за выступы (ближние к опорам балки 1) опорных фасонок 8, затем к жесткой вставке 5 временного шпренгеля подвешивают грузы 9, а парные клиновидные ограничители 10 вводят в прорези стоек 4 временного шпренгеля и сдвигают их навстречу друг другу до фиксации положения стоек 4 временного шпренгеля (плотного расклинивания стоек 2 шпренгеля усиления 3 и стоек 4 временного шпренгеля), в отверстия 11 (например, овальной формы) стоек 2 шпренгеля усиления 3 пропускают усиливающую затяжку 12, при этом ее концевые петли 13 заводят за выступы опорных фасонок 8, снимают грузы 9, после чего раздвигают (выдергивают) парные клиновидные ограничители 10, например, с помощью крюковых захватов, и демонтируют временный шпренгель.
Шпренгель усиления 3 состоит из стоек 2 и затяжки усиления 12.
Временный шпренгель включает стойки 4, жесткую вставку 5 и затяжку 6.
При введении стоек 4 временного шпренгеля в стойки 2 шпренгеля усиления 3 отверстия 11 стоек 2 шпренгеля усиления 3 совпадают с прорезями на стойках 4 временного шпренгеля, что позволяет после подвески грузов 9 пропустить затяжку усиления 12 в овальные отверстия 11 стоек 2 шпренгеля усиления 3.
Усиление балки 1 с предварительным напряжением шпренгеля осуществляется в два этапа.
1-й этап. К жесткой вставке 5 временного шпренгеля подвешивают грузы 9, в результате чего в затяжках 6 временного шпренгеля возникают растягивающие усилия, а стойки 4 временного шпренгеля выдвигаются вниз из полостей стоек 2 шпренгеля усиления 3. В этом положении стойки 4 временного шпренгеля фиксируются относительно стоек 2 шпренгеля усиления 3 парными клиновидные ограничителями 10.
2-й этап. После снятия грузов 9 растягивающие усилия в затяжках 6 временного шпренгеля, полученные на 1-ом этапе, создают упругий отпор, направленный вверх, и сжимают стойки 4 временного шпренгеля. Через парные клиновидные ограничители 10 указанное сжимающее усилие передается на стойки 2 шпренгеля усиления 3.
Сжимающие усилия в стойках 2 шпренгеля усиления 3 приложены к балке 1 снизу вверх и вызывают выгиб балки 1 вверх, т. е. в сторону, обратную выгибу ее при действии эксплуатационных нагрузок.
В этом положении в отверстия 11 стоек 2 шпренгеля усиления 3 пропускают усиливающую затяжку 12, при этом ее концевые петли 13 заводят за выступы (ближние к середине пролета) опорных фасонок 8. Затем раздвигают парные клиновидные ограничители 10, выводят концевые петли 7 затяжек 6 временного шпренгеля из выступов опорных фасонок 8 и демонтируют временный шпренгель.
После раздвижки парных клиновидных ограничителей 10 соединение между стойками 2 шпренгеля усиления 3 и стойками 4 временного шпренгеля становится телескопическим, т.е. возникает возможность их взаимного смещения, и балка 1 стремится распрямиться, а препятствующий этому шпренгель усиления 3 включается в работу, а именно затяжка усиления 12 растягивается и через стойки 2 шпренгеля усиления 3 создает в балке 1 усилия упругого отпора, приложенные к балке 1 снизу вверх, таким образом, балка 1 получает выгиб вверх, т.е. в направлении, противоположном направлению действия эксплуатационных нагрузок, а в ее сечениях возникают напряжения, обратные по знаку напряжениям от эксплуатационных нагрузок. Указанный эффект уменьшает результирующие напряжения в усиливаемой балке 1 и увеличивает ее несущую способность.
Как известно, включение системы усиления в совместную работу с усиливаемым элементом является одним из основных задач при усилении. Предлагаемый способ усиления позволяет решить эту задачу.
В результате усиления балки 1 шпренгелем усиления 3 в стойках 2 шпренгеля усиления 3 возникают сжимающие усилия, а в затяжке усиления 12 - растягивающие усилия.
Растянутая затяжка усиления 12 как любой растянутый элемент обладает устойчивостью своего пространственного положения. Следовательно, на нее можно опереть стойки 2 шпренгеля усиления 3. При этом стойки 2 можно рассматривать как упруго - податливые промежуточные опоры для балки 1, резко уменьшающие ее начальный пролет, что приводит к соответствующему уменьшению усилий (изгибающих моментов) в поперечных сечениях балки 1.
Использование временного шпренгеля, включающегося в работу на стадии предварительного напряжения балки 1, позволяет уменьшить материалоемкость шпренгельной системы усиления за счет использования элементов повторного применения (стоек 4 временного шпренгеля, жесткой вставки 5, затяжек 6 временного шпренгеля).
Наличие на концах затяжек 6 временного шпренгеля концевых петель 7 и на концах затяжки усиления 12 петель 13, а на опорных фасонках 8 выступов, позволят производить их (затяжки 6 временного шпренгеля и затяжки усиления 12) крепление к опорным фасонкам 8 путем заведения петель 7 и 13 за соответствующие выступы опорных фасонок 8. При этом отпадает необходимость в устройстве специальных крепежных приспособлений (анкеров, муфт и т.п.), упрощается процесс присоединения затяжек 6 временного шпренгеля и затяжки усиления 12, что снижает трудоемкость процесса усиления в целом.
Подвеска грузов 9 к жесткой вставке 5 позволяет создать в затяжках 6 временного шпренгеля растягивающие усилия, необходимые для предварительного напряжения шпренгеля усиления 3, что позволяет отказаться от специальных натяжных устройств и их напряжения, что как следствие снижает трудоемкость процесса натяжения затяжек 6 временного шпренгеля и усиления балки в целом. Снятие грузов 9 создает упругий отпор в стойках 4 временного шпренгеля и как следствие упрощает процесс выгиба балки 1.
За счет увеличенной высоты стоек 4 временного шпренгеля (демонтируемого после процедуры предварительного напряжения) уменьшаются необходимые для предварительного напряжения балки 1 растягивающие усилия в затяжках 6 временного шпренгеля, что приводит к снижению необходимого веса грузов 9, что как следствие приводит к снижению трудоемкости процесса предварительного напряжения.
Установка предварительно напряженного шпренгеля усиления 3 предложенным способом приводит к уменьшению усилий в балке 1 и, следовательно, к увеличению ее несущей способности.
Предлагаемый способ усиления балки предварительно напряженным шпренгелем относится к способам усиления с изменением первоначальной расчетной схемы.
Использование изобретения позволяет снизить трудоемкость способа усиления балок до 11. 18%.
Источники информации 1. Авторское свидетельство СССР 802479. Е 04 G 21/12; В 1/22. Исаев П.М. и др. Натяжное устройство преимущественно для предварительного напряжения шпренгельных балок большепролетных покрытий. - Бюл. 5. - 1981.
2. Авторское свидетельство СССР 751934. Е 04 С 3/00. Калинин А.А. и др. Способ натяжения затяжки несущей конструкции и устройство для его осуществления. - Бюл. 28. - 1980.
Способ усиления балки предварительно напряженным шпренгелем, включающий присоединение к балке стоек шпренгеля усиления и прикрепление к балке усиливающей затяжки, отличающийся тем, что стойки шпренгеля усиления выполняют с отверстиями и полостью, в которую вводят стойки временного шпренгеля с прорезями, объединенные жесткой вставкой с прикрепленными затяжками, которые заводят за выступы опорных фасонок, затем к жесткой вставке временного шпренгеля подвешивают грузы, а в прорези стоек временного шпренгеля вводят парные клиновидные ограничители и сдвигают их навстречу друг другу до фиксации положения стоек временного шпренгеля, после чего снимают грузы, в отверстия стоек шпренгеля усиления пропускают усиливающую затяжку, заводят ее концевые петли за выступы опорных фасонок, раздвигают парные клиновидные ограничители и демонтируют временный шпренгель.
Изобретение относится к области строительства и может быть использовано в качестве способа усиления железобетонных балок с применением шпренгелей, входящих в состав несущих элементов покрытий зданий и сооружений или являющихся отдельно стоящими балочными конструкциями, например подкрановыми балками и т
Изобретение относится к области строительства и может быть использовано в качестве способа монтажа предварительно напряженных шпренгельных балок, используемых в качестве несущих элементов покрытий зданий и сооружений, подкрановых балок и т.п
Изобретение относится к строительным конструкциям и может быть использовано при изготовлении предварительно напряженных шпренгельных блоков покрытия, применяемых в качестве несущих конструкций покрытий зданий и сооружений и т
Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при изготовлении строительных металлоконструкций, в частности при предварительном напряжении перфорированных шпренгельных балок
Изобретение относится к строительным конструкциям, а именно к способу монтажа предварительно напряженной шпренгельной рамы, и может быть использовано при возведении несущих каркасов зданий и сооружений, жестких поперечин электрифицированных железных дорог и т.п
Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при усилении несущих конструкций балочного типа (например, балок покрытий, перекрытий, подкрановых балок и т.п.)
Изобретение относится к строительным конструкциям, а именно к конструкциям покрытий зданий и сооружений, а также может использоваться в качестве отдельно стоящих несущих систем специального назначения, например в качестве ригелей жестких поперечин электрифицированных железных дорог
Изобретение относится к строительным конструкциям, а именно к конструкциям покрытий зданий и сооружений, а также может использоваться в качестве отдельно стоящих несущих систем специального назначения, например, в качестве ригелей жестких поперечин электрифицированных железных дорог
Изобретение относится к строительным конструкциям, преимущественно сборно-разборным, и может быть использовано в промышленном и гражданском строительстве, а именно во временных сборно-разборных зданиях и сооружениях типа выставочных павильонов, крытых временных складов и т.п
Изобретение относится к области строительства, в частности к конденсационной башне атомной электростанции, к способу уменьшения прогиба продольного ребра в башне и к дистанционирующему устройству
Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при усилении существующих несущих конструкций покрытий и перекрытий зданий
Изобретение относится к способам изготовления силовых стержневых элементов для различных пространственных конструкций, в том числе каркасов складных рефлекторов космических антенн
Изобретение относится к области строительства, в частности к предварительно напряженным металлическим балкам
Изобретение относится к области строительства, в частности к шпренгельной предварительно напряженной ферме
Изобретение относится к области строительства, в частности к изготовлению предварительно напряженных металлических конструкций
Изобретение относится к области строительства, в частности к покрытию большепролетных зданий - двухпоясной предварительно напряженной системе
Изобретение относится к области строительства, а именно к способу изготовления предварительно напряженных металлических балок. Технический результат изобретения заключается в повышении эксплуатационных качеств балки. Способ изготовления предварительно напряженной двутавровой балки предусматривает конструкцию, которая состоит из нижней полки, стенки и верхней полки, которые соединены сварным швом. Для получения двутавровой балки с напряжением краев стенки и полок двутавра, работающих на сжатие, без изгиба изделия после предварительного напряжения, производят следующий процесс: сваренные нижнюю полку и стенку выгибают в сторону стенки, к растянутой части стенки приваривают верхнюю полку, далее нижнюю полку отделяют от конструкции, которую в свою очередь выгибают в обратную сторону, и нижнюю полку приваривают к растянутой стороне стенки. Напряжение в верхней и нижней полках и краях стенки одинаковые, балка принимает прямолинейное положение. 7 ил.
Усиление балок затяжками
При всем разнообразии приемов усиления все они базируются на двух принципах — уменьшении усилий (изгибающих моментов, продольных и поперечных сил) в конструкции или увеличении ее несущей способности. В первом случае конструкцию разгружают (т. е. передают всю или часть нагрузки на другую — усиливающую — конструкцию). Разгружение зачастую осуществляют за счет изменения расчетной схемы существующей конструкции (например, превращают балку из однопролетной в двухпролетную, подводя под нее дополнительную опору). Во втором случае увеличивают (наращивают) сечение конструкции или увеличивают сопротивление материала (например, за счет поперечного обжатия). Конечно, такое разделение достаточно условно — часто в одном приеме усиления используют оба принципа.
После завершения строительно-монтажных операций по усилению усиливающая конструкция должна сразу же, как только начала прикладываться дополнительная нагрузка, воспринимать причитающуюся ей часть этой нагрузки (усилий, напряжений), т. е. деформироваться совместно с усиливаемой конструкцией, — это и называется включением ее в работу. В противном случае разрушение усиливаемой конструкции может произойти раньше, чем усиливающая начнет воспринимать свою долю нагрузки.
Например, если под железобетонную балку в середине пролета подвести дополнительную жесткую опору в виде стойки и оставить между ними зазор, то балка при увеличении нагрузки будет в состоянии прогибаться (а значит, в ней будет расти и изгибающий момент) до тех пор, пока зазор не исчезнет (рис. 1). Рост изгибающего момента, в конце концов, может привести к разрушению балки — все зависит от величины зазора. Поэтому при подведении дополнительных опор зазоры необходимо устранять — подклиниванием стальными пластинами, подливкой бетона или др. способами. Только тогда опоры будут включены в работу.
Почему усиление целесообразно проводить при минимальном значении эксплуатационных нагрузок?
Для ответа на этот вопрос рассмотрим упомянутый выше пример усиления балки (рис. 2). Если дополнительную опору подводить тогда, когда на балку действует максимальная эксплуатационная нагрузка q и, следовательно, максимальный изгибающий момент Мmax(а), то опора работать не будет, усилие в ней будет равно нулю. Она сможет выполнить лишь противоаварийную задачу — удержать балку от обрушения. Если с балки снять часть нагрузки (б), то от оставшейся части q1 в балке возникает изгибающий момент М1. После подведения опоры и приложения ранее снятой нагрузки q2 балка начнет работать как двухпролетная и в ней возникнет дополнительный момент М2(в). Сумма этих моментов М(г) даст намного меньшее значение, чем Мmax. Понятно, что суммарная величина моментов будет тем меньше (а нагрузка на усиливающую конструкцию тем больше), чем больше величина снятой нагрузки q2?
Правда, в данном примере не следует впадать в другую крайность. Можно перед усилением так разгрузить балку (д), что в итоге в середине пролета возникнет отрицательный момент, который балка воспринять будет не в состоянии из-за недостаточного (или отсутствия) армирования верхней зоны, и вместо усиления балки произойдет ее разрушение. Поэтому при проектировании усиления всегда следует придерживаться правила: новая эпюра моментов не должна выходить за пределы эпюры материалов существующей конструкции.
Подклинка зазоров между усиливающей и усиливаемой конструкциями
В этом деле опасно переусердствовать. При сильной забивке стальных пластин возникают большие расклинивающие усилия, причем усилия неконтролируемые, которые могут вызвать в усиливаемой конструкции опасные для нее изгибающие моменты. Особенно осторожно следует проводить усиление многопролетных неразрезных балок. Если при усилении балки одного из пролетов создать большое расклинивающие усилие, то в соседних пролетах изгибающие моменты возрастут, что может привести балки в аварийное состояние, — такие случаи в практике усиления встречаются. Поэтому толщину стальных клиньев (пластин) следует подбирать в соответствии с фактическими зазорами и забивать их легкими ударами молотка.
Необходимо помнить и о том, что в опорах (стойках) из монолитного железобетона или каменной кладки будут происходить усадочные процессы, особенно интенсивные в первые дни. Поэтому подклинивание зазоров нужно производить не ранее чем через неделю после возведения опор, а передачу дополнительной нагрузки — после набора бетоном или кладкой проектной прочности.
Отличие жестких опор от упругих
Жесткие — это опоры, которые не деформируются под нагрузкой (рис. 3, а). Упруго проседающими, или просто упругими, называются опоры, которые деформируются (проседают) под нагрузкой вместе с самой конструкцией (рис. 3, б). Деформации упругих опор зависят от величины нагрузки, от жесткости опирающейся конструкции (например, балки) и от жесткости самих опор. Чем меньше жесткость опоры, тем меньше опорная реакция R, тем меньше разгружается опирающаяся конструкция.
К жестким опорам обычно относят стойки (колонны) из кирпича, железобетона или металла, подкосы и т. п. элементы, которые подводят под усиливаемые конструкции и деформации которых настолько малы, что ими можно пренебречь. Однако подобные опоры имеют один существенный недостаток — они перегораживают помещения. Кроме того, опоры в виде стоек требуют устройства самостоятельных фундаментов. При этом следует иметь в виду, что основание под фундаментом в свою очередь подвергается деформациям (осадкам), в результате которых нагрузка на стойку уменьшается, а изгибающие моменты и поперечные силы в усиленной балке возрастают. Во избежание этого необходимо под подошвой фундамента либо предварительно обжимать грунт, либо устраивать большую песчано-щебеночную подушку. Поэтому, несмотря на всю простоту подобного усиления, его применяют довольно редко.
Указанных недостатков лишены портальные рамы (рис. 4), стальные балки (рис. 5), фермы (рис. 6), шпренгели и некоторые другие усиливающие конструкции. В процессе нагружения они подвергаются заметным деформациям (прогибам) совместно с усиливаемой конструкцией (пунктирные линии на рисунках), которыми пренебречь нельзя, не допустив грубейшую ошибку. Поэтому дополнительные опоры, которые образуют подобные конструкции, относятся к упругим.
Эффективность усиления стальными балками
Подведение стальных балок под железобетонные балки или плиты — довольно распространенный прием усиления. Основан он на принципе частичного разгружения — стальная балка является дополнительной (упругой) опорой и берет на себя часть полезной нагрузки. Однако эффективность такого усиления, как правило, невелика. Сечения стальных балок проектировщики зачастую подбирают простым суммированием несущих способностей усиливаемой и усиливающей балок: если существующая балка (плита) в состоянии воспринимать только часть расчетного изгибающего момента М, то сечение стальной балки подбирают из условия восприятия недостающей части.
Такой подход ошибочен по двум причинам. Во-первых, стальная балка включается в работу не с самого начала, а со времени приложения дополнительной нагрузки. Чем меньше разгружена железобетонная балка (плита), тем менее эффективно работает стальная балка. Во-вторых, доли совместно воспринимаемой нагрузки определяются не несущими способностями сечений, а совместными деформациями (прогибом f). Поэтому дополнительная нагрузка распределяется пропорционально жесткостям существующей и усиливающей конструкций.
Повышение эффективности 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. 7). Правда, при этом часть преднапряжения стальной балки теряется.
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. 8).
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.
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 Мо=N'·е, а вертикальные проекции D — отрицательный (разгружающий) момент Мp. Кроме того, в опорных участках возникают и разгружающие поперечные силы Qp, в результате чего суммарные усилия ΣM и ΣQ оказываются меньшими, чем усилия Мq и Qq от внешней нагрузки.
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 , 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%.
Требуемую величину распора N определяют из величины требуемого уменьшения изгибающих моментов и поперечных сил на величину соответственно Мp и Qp (рис. 9). 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 = [(Mtot-M)/h+σspAss]γ £ 0,8 RsAss, где Мtot (на рис. 9)
обозначен как Мq и М1 — изгибающие моменты после и до усиления, h — стрела провеса шпренгеля (плечо между N и N'), σsp — величина преднапряжения шпренгеля, Ass — площадь сечения стержней шпренгеля,
γss = 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.
Продольные затяжки в виде арматурных стержней или прокатных профилей располагают вдоль растянутой грани балок и закрепляют на торцах. Под воздействием внешней нагрузки балка прогибается, а ее опорные сечения (торцы) поворачиваются (рис. 10). При повороте торцы увлекают за собой затяжку, удлиняют ее и вызывают в ней растягивающее усилие, которое, в свою очередь, действует на балку в виде сжимающей силы Р. От этой силы в балке возникает разгружающий момент Мp=-Ре, где е — расстояние от силы Р до центра тяжести сечения. В отличие от усиления шпренгелем, поперечные силы здесь не уменьшаются и разгружение опорных участков (наклонных сечений) не происходит.
Чем больше снято нагрузки с балки до начала усиления, тем больше последующие углы поворота торцов, тем больше и усилие Р. Разумеется, при этом требуется заранее устранить (выбрать) начальную слабину затяжки. Но даже и при условии полного предварительного снятия нагрузки напряжения в затяжке достигнут небольшой величины — как правило, не более 100 МПа. Ведь она работает как внешняя арматура без сцепления с бетоном, у которой растягивающие напряжения по длине постоянны, в то время как рабочая арматура балки в опасных сечениях испытывает куда более высокие напряжения. Поэтому в затяжках создают предварительное напряжение, которое позволяет значительно увеличить силу обжатия Р и, соответственно, увеличить разгружающий момент Mp.
Расчет затяжек можно выполнять приближенно. Из требуемой величины разгружающего момента Mp находят величину Р, а далее из выражения Р = [(100ΔMm/Mtot) + σsp] Assγss £ 0,8RsAss. находят требуемую площадь сечения Ass стержней затяжки, задавшись величиной их предварительного напряжения σsp. Здесь ΔMm и Мtot — величины соответственно дополнительного изгибающего момента, возникающего от прикладываемой после усиления нагрузки, и изгибающего момента от полной нагрузки (без учета Mp), γss=0,85 — коэффициент, учитывающий потери напряжений. Размерность в формуле приведена в Н и мм, при размерности в кг и см коэффициент 100 заменяется на 1 000.
Однако область применения затяжек относительно невелика, поскольку реальное опирание конструкций существенно отличается от идеального. В частности, у однопролетных железобетонных балок перекрытий и покрытий (а равно и ферм покрытий) в сборных каркасных зданиях опорные закладные детали приваривают к закладным деталям колонн, т. е. шарнирно-подвижные опоры у них отсутствуют. Это значит, что фактический поворот торцов меньше теоретического, а самое главное — расстояние между опорами, т. е. крайними точками нижней грани, остается неизменным. Поэтому даже предварительное напряжение затяжек такие конструкции практически не разгружает (почти все усилие Р передается не на растянутую зону, а на опорные закладные детали). Столь же бессмысленно усиливать затяжками многопролетные неразрезные балки и балки (ригели) монолитных рамных каркасов.
Способ усиления балки предварительно напряженным шпренгелем
Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при усилении несущих конструкций балочного типа (например, балок покрытий, перекрытий, подкрановых балок и т.п.). Технический результат - упрощение способа усиления балок предварительно напряженным шпренгелем и, как следствие, снижение его трудоемкости. Способ усиления балки предварительно напряженным шпренгелем включает присоединение шпренгеля усиления снизу и его предварительное напряжение. При этом к балке прикрепляют стойки шпренгеля усиления с жесткой затяжкой. В полости стоек шпренгеля усиления вводят стойки временного шпренгеля, объединенные распоркой и снабженные фиксаторами и стопорами, а его затяжку закрепляют на жесткой затяжке шпренгеля усиления. Затем на упорах последней размещают стяжные хомуты, производят их натяжение, после чего концы жесткой затяжки присоединяют к балке и демонтируют временный шпренгель. 5 ил.
Также известны способ натяжения затяжки несущей конструкции и устройство для его осуществления, включающее заанкеривание затяжки, ее установку с притяжением к распорным стойкам. Причем затяжку устанавливают без натяжения, а затем притягивают к вершинам распорных стоек натяжным оборудованием. Стойки выполнены цельными с расположенными в их вершинах площадками для упора натяжного оборудования и снабжены хомутами, соединенными с затяжкой [2]. Такой способ натяжения может быть применен при усилении балок с установкой шпренгеля снизу (принято за прототип).
Недостатком такого технического решения является сложность и трудоемкость способа монтажа, обусловленная необходимостью закреплением на каждой из стоек натяжных устройств и комплектов хомутов, соединения их с затяжкой, а после окончания процесса натяжения затяжки - их демонтаж. Увеличение числа стоек в шпренгеле усиления приводит к пропорциональному повышению трудоемкости способа натяжения.
Технический результат достигается тем, что в способе усиления балки предварительно напряженным шпренгелем, включающим присоединение шпренгеля усиления снизу и его предварительное напряжение, к балке прикрепляют стойки шпренгеля усиления с жесткой затяжкой, затем в полости стоек шпренгеля усиления вводят стойки временного шпренгеля, объединенные распоркой и снабженные фиксаторами и стопорами, а его затяжку закрепляют на жесткой затяжке шпренгеля усиления, после чего на упорах последней размещают стяжные хомуты и производят их натяжение, после чего концы жесткой затяжки присоединяют к балке и демонтируют временный шпренгель.
Изобретение описывается следующими графическими материалами: - на фиг.1 представлен общий вид балки со шпренгелем усиления и временным шпренгелем; - на фиг.2 представлен общий вид балки со шпренгелем усиления; - на фиг.3 - узел "А" на фиг.1; - на фиг.4 - разрез по 1-1 на фиг.3; - на фиг.5 - узел "Б" на фиг.1.
В способе усиления балки предварительно напряженным шпренгелем, устанавливаемом снизу, к балке 1 прикрепляют (например, на сварке, болтах и т.п.) стойки 2 шпренгеля усиления 3 с жесткой затяжкой 4. В полости стоек 2 шпренгеля усиления 3 вводят стойки 5 временного шпренгеля 6, объединенные распоркой 7 и снабженные фиксаторами 8 и стопорами 9, а затяжку 10 временного шпренгеля 6 закрепляют на жесткой затяжке 4 шпренгеля усиления 3. На упорах 11, смонтированных в крайних панелях жесткой затяжки 4 шпренгеля усиления 3, размещают стяжные хомуты 12, объединяющие концы жесткой затяжки 4 с балкой 1, и производят их натяжение. После чего концы жесткой затяжки 4 шпренгеля усиления 3 присоединяют к балке 1 (например, на сварке, болтах и т.п.) и демонтируют временный шпренгель 6.
Затяжка 10 временного шпренгеля 6 свободно пропущена в направляющих 13, смонтированных на концах стоек 5 временного шпренгеля 6.
Распорка 7, объединяющая стойки 5 временного шпренгеля 6, выполнена жесткой и фиксирует расстояние между стойками 5, предотвращая их возможное заклинивание в полостях стоек 2 шпренгеля усиления 3 при предварительном напряжении системы.
Стопоры 9 позволяют передавать сжимающие усилия от стоек 5 временного шпренгеля 6 к стойкам 2 шпренгеля усиления 3.
Фиксаторы 8 удерживают стойки 5 временного шпренгеля 6 в полостях стоек 2 шпренгеля усиления 3 от случайного их выдвижения под действием гравитационных сил в процессе монтажа и демонтажа временного шпренгеля 6.
Известно, что включение элементов усиления в совместную работу с усиливаемой балкой является ключевой задачей. В заявляемом техническом решении указанная задача решается введением в элементы системы сил предварительного напряжения.
При натяжении стяжных хомутов 12, закрепленных на упорах 11 жесткой затяжки 4, концы жесткой затяжки 4 на участках опорных панелей подтягиваются к балке 1. При этом затяжка 10 временного шпренгеля 6, прикрепленная к жесткой затяжке 4, удлиняется и в ней возникают растягивающие усилия, а в стойках 5 временного шпренгеля 6 - сжимающие усилия, которые через стопоры 9 передаются на стойки 2 шпренгеля усиления 3. Под действием сжимающих усилий в стойках 2, которые можно рассматривать как сосредоточенные силы, приложенные к балке 1 снизу вверх в ее пролете, балка 1 получает выгиб вверх, т.е. в направлении, противоположном направлению действующих эксплуатационных нагрузок, а в ее сечениях возникают напряжения, обратные по знаку напряжениям от эксплуатационных нагрузок. Указанный эффект уменьшает результирующие напряжения в усиливаемой балке 1 и увеличивает ее несущую способность.
Установка стяжных хомутов 12 и их натяжение в направлении, параллельном продольным осям стоек 2, приводят к равенству сжимающих усилий в стойках 2 и растягивающих усилий в хомутах 12 в процессе предварительного напряжения, что снижает величины усилий, необходимые для предварительного напряжения балки 1 шпренгелем усиления 3. Это, как следствие, приводит к снижению трудоемкости создания предварительного напряжения.
При натяжении стяжных хомутов 12 в жесткой затяжке 4 возникают сжимающие усилия, вызванные стяжением затяжки 10 временного шпренгеля 6.
При увеличении высоты стоек 5 временного шпренгеля 6 сжимающие усилия в жесткой затяжке 4 и растягивающие - в затяжке 10 временного шпренгеля 6 уменьшаются.
В процессе предварительного напряжения жесткая затяжка 4 выполняет функцию балки - распорки временного шпренгеля 6, что уменьшает количество и материалоемкость элементов повторного применения (элементов временного шпренгеля 6), а также снижает трудоемкость их установки и демонтажа, а следовательно, и всего процесса предварительного напряжения.
После окончания процесса натяжения стяжных хомутов 12 к балке 1 присоединяют концы жесткой затяжки 4 шпренгеля усиления 3 и демонтируют временный шпренгель 6. При этом выгнутая вверх балка 1 под действием сил гравитации (собственного веса конструкции), упругих сил, возникших при ее изгибе, и эксплуатационных нагрузок стремится переместиться вниз и донапрягает элементы шпренгеля усиления 3, вовлекая их в совместную работу с балкой 1. В жесткой затяжке 4 шпренгеля усиления 3 появляются растягивающие усилия, а в стойках 2 - дополнительные сжимающие усилия. Жесткая затяжка 4 шпренгеля усиления 3 в эксплуатационном режиме работы системы является растянутым элементом и, следовательно, обладает устойчивостью своего положения, поэтому ее можно рассматривать как упругоподатливый контур для опирания сжатых стоек 2 шпренгеля усиления 3, которые для балки 1 являются дополнительными промежуточными упругоподатливыми опорами.
Предлагаемый способ усиления балки предварительно напряженным шпренгелем относится к способам усиления с изменением первоначальной расчетной схемы. Балка 1 становится балкой жесткости шпренгельной системы и работает в дальнейшем как сжатоизогнутый элемент с упругоподатливыми опорами. Это приводит к уменьшению усилий в балке 1, и, следовательно, к увеличению ее несущей способности при предлагаемом способе усиления.
Использование изобретения позволяет снизить трудоемкость способа усиления балок до 12-19%.
Способ усиления балки предварительно напряженным шпренгелем, включающий присоединение шпренгеля усиления снизу и его предварительное напряжение, отличающийся тем, что к балке прикрепляют стойки шпренгеля усиления с жесткой затяжкой, в полости стоек шпренгеля усиления вводят стойки временного шпренгеля, объединенные распоркой и снабженные фиксаторами и стопорами, а его затяжку закрепляют на жесткой затяжке шпренгеля усиления, затем на упорах последней размещают стяжные хомуты, производят их натяжение, после чего концы жесткой затяжки присоединяют к балке и демонтируют временный шпренгель.
Способ усиления балки шпренгелем
Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при усилении существующих несущих конструкций покрытий и перекрытий зданий. Достигаемый технический результат изобретения заключается в упрощении и снижении трудоемкости при усилении балок. Способ усиления балки шпренгелем включает присоединение к балке шпренгеля усиления, установку временного шпренгеля, натяжение затяжек и демонтаж временного шпренгеля, временный шпренгель устанавливают сверху балки таким образом, что стойки шпренгеля усиления расположены между стойками временного шпренгеля, а его затяжку, пропущенную в криволинейных направляющих, смонтированных у опор балки, присоединяют к затяжке шпренгеля усиления посредством гибких хомутов, после чего затяжки натягивают и фиксируют затяжку шпренгеля усиления в упорах балки. 3 ил.
Изобретение относится к области строительства и может быть использовано при усилении существующих несущих конструкций покрытий и перекрытий зданий и сооружений (например, балок покрытий и перекрытий, подкрановых балок и т.п.).
Известен способ натяжения затяжки несущей конструкции, включающий заанкеривание затяжки, ее установку с притяжением к распорным стойкам, причем затяжку устанавливают без натяжения, а затем притягивают к вершинам распорных стоек натяжным оборудованием. Стойки выполнены цельными с расположенными в их вершинах площадками для упора натяжного оборудования и снабжены хомутами, соединенными с затяжкой (авторское свидетельство СССР № 751934, Е 04 С 3/00, Бюл. № 28, 1980). Такой способ натяжения может быть применен при усилении балок с установкой шпренгеля снизу.
Кроме того, известен способ усиления балки предварительно напряженным шпренгелем, включающий присоединение шпренгеля усиления снизу и его предварительное напряжение, в котором к балке прикрепляют стойки шпренгеля усиления с жесткой затяжкой, затем в полости стоек шпренгеля усиления вводят стойки временного шпренгеля, объединенные распоркой и снабженные фиксаторами и стопорами, а его затяжку закрепляют на жесткой затяжке шпренгеля усиления, после чего на упорах последней размещают стяжные хомуты и производят их натяжение, после чего концы жесткой затяжки присоединяют к балке и демонтируют временный шпренгель (патент РФ на изобретение №2187608, Е 04 С 3/10, опубл. 20.08.2002, Бюл. №23).
Недостатками известного технического решения являются сложность и трудоемкость усиления, обусловленная необходимостью создания существенных усилий в напрягаемых элементах шпренгеля. Кроме того, при определенных условиях (усиление на высоте, в труднодоступных местах и т.п.), производство работ по напряжению шпренгеля снизу усиливаемой балки сопряжено с существенными трудозатратами, например устройством дополнительных подмостей, размещением натяжного оборудования и т.п.
Задача изобретения - упрощение способа усиления балок шпренгелем и, как следствие, снижение его трудоемкости.
Технический результат достигается тем, что в способе усиления балки шпренгелем, включающем присоединение к балке шпренгеля усиления, установку временного шпренгеля, напряжение затяжек и демонтаж временного шпренгеля, временный шпренгель устанавливают сверху балки таким образом, что стойки шпренгеля усиления расположены между стойками временного шпренгеля, а его затяжку, пропущенную в криволинейных направляющих, смонтированных у опор балки, присоединяют к затяжке шпренгеля усиления посредством гибких хомутов, после чего затяжки натягивают и фиксируют затяжку шпренгеля усиления в упорах балки.
Изобретение описывается следующим графическим материалом:
- на фиг.1 представлен общий вид балки перед предварительным напряжением;
- на фиг.2 - узел «А» на фиг.1;
- на фиг.3 - разрез по 1-1 на фиг.2.
В способе усиления балки шпренгелем выполняют закрепление на балке 1 стоек 2, шпренгеля усиления 3 со смонтированными на их концах направляющими 4, через которые свободно пропускают гибкую затяжку 5.
Сверху балки 1 устанавливают стойки 6 временного шпренгеля 7 с направляющими 8 на их концах, через которые свободно пропускают гибкую затяжку 9, после чего присоединяют ее к гибкой затяжке 5 шпренгеля усиления 3 посредством гибких хомутов 10, пропущенных в криволинейных направляющих 11, смонтированных у опор балки 1, а после натяжения гибкой затяжки 5 натяжным устройством 12 (в виде, например, стяжной муфты) ее фиксируют в упорах 13 балки 1 и демонтируют временный шпренгель 7.
При монтаже шпренгеля усиления 3 его стойки 2 размещают в сечениях балки 1, расположенных между стойками 6 временного шпренгеля 7.
Гибкие затяжки 5 и 9 шпренгеля усиления 3 и временного шпренгеля 7 соответственно присоединяют к объединяющим их гибким хомутам 10 посредством стыков 14 (например, петлевых).
Гибкую затяжку 5 шпренгеля усиления 3 после напряжения натяжным устройством 12 фиксируют в упорах 13 опрессованными шайбами 15.
Гибкая затяжка 5 шпренгеля усиления 3, гибкая затяжка временного шпренгеля 7 и объединяющие их гибкие хомуты 10 после устройства стыков 14 образуют замкнутую кольцевую систему, снабженную натяжными устройствами 12, после натяжения которого во всех элементах замкнутой кольцевой системы возникают растягивающие усилия предварительного напряжения.
Направляющие 4 и 8, смонтированные на концах стоек 2 и 6 соответственно, а также криволинейные направляющие 11, смонтированные у опор балки 1, позволяют гибким затяжкам 5 и 9, а также гибким хомутам 10 свободно перемещаться в направляющих 4, 8 и 11, что приводит к примерному выравниванию растягивающих усилий в гибких затяжках 5 и 9.
Растягивающие усилия предварительного напряжения в гибких затяжках 5 и 9 передаются через криволинейные направляющие 11 на балку 1, вызывая в ней сжимающие усилия распора - сжимающие составляющие, направленные вдоль оси балки 1. Кроме усилия сжатия в сечениях балки 1 возникают изгибающие моменты (например, от собственной массы, давлений, передаваемых стойками 2, 6 и др.).
Гибкие затяжки 5 и 9, как любые растянутые элементы обладают устойчивостью своего пространственного положения, что позволяет рассматривать их как упругоподатливые опоры для стоек 2 и 6, на которые, в свою очередь, опирается сжато-изогнутая балка 1.
Стойки 2 и 6 являются сжатыми элементами. При жестком закреплении их к балке 1 в сечениях стоек 2 и 6 могут появиться сравнительно небольшие по величине изгибающие моменты. Силы сжатия в стойках 2 и 6 передаются на балку 1, вызывая ее изгиб с искривлением оси, выпуклость которой обращена по направлению передаваемых стойками 2 и 6 сжимающих усилий.
Сжимающие усилия в стойках 2 выгибают балку 1 вверх в средней части ее пролета, а стойки 6 - вниз в приопорных зонах.
Установка временного шпренгеля 7 сверху усиливаемой балки 1 позволяет снизить трудозатраты на усиление за счет отказа, например, от устройства подмостей внизу усиливаемой балки 1 и т.п.
Расположение стоек 2 шпренгеля усиления 3 между стойками 6 временного шпренгеля 7 на стадии предварительного напряжения приводит к дополнительному выгибу балки 1 на ее среднем участке вверх, т.е. в сторону, обратную изгибу балки 1 при эксплуатационных нагрузках, а в ее сечениях на средних участках возникают соответствующие дополнительные изгибающие моменты. При этом обеспечивается необходимый уровень предварительного напряжения балки 1 при меньших значениях усилий в затяжках, что, как следствие, приводит к снижению трудоемкости процесса предварительного напряжения в целом.
Увеличение изгибающих моментов в балке 1 на приопорных участках, вызванных давлениями стоек 6 временного шпренгеля 7, приводит к более равномерному распределению изгибающих усилий и напряжений по длине балки 1.
После фиксации концов гибкой затяжки 5 шпренгеля усиления 3 в упорах 13 спрессованными шайбами 15 демонтаж вспомогательных элементов ведется в следующем порядке: расслабляется натяжное устройство 12; размыкаются стыки 14; из криволинейных направляющих 11 извлекаются гибкие хомуты 10; от балки 1 отсоединяются стойки 6 временного шпренгеля 7 вместе с гибкой затяжкой 9, пропущенной в направляющих 8.
Использование изобретения позволит снизить трудоемкость способа усиления балки предварительно напряженным шпренгелем до 15. 30%.
Способ усиления балки шпренгелем, включающий присоединение к балке шпренгеля усиления, установку временного шпренгеля, напряжение затяжек и демонтаж временного шпренгеля, отличающийся тем, что временный шпренгель устанавливают сверху балки таким образом, что стойки шпренгеля усиления расположены между стойками временного шпренгеля, а его затяжку, пропущенную в криволинейных направляющих, смонтированных у опор балки, присоединяют к затяжке шпренгеля усиления посредством гибких хомутов, после чего затяжки натягивают и фиксируют затяжку шпренгеля усиления в упорах балки.
Читайте также: