Методы усиления металлических конструкций

При недостаточной несущей способности отдельных элементов, конструкций пли зданий и сооружений произ­водится их усиление, при этом, так же как и при конст­рукциях из других материалов, необходимо предусмот­реть минимальные потери из-за остановок технологиче­ского цикла.

Элементы сварных конструкций, испытывающие рас­тяжение, сжатие или изгиб, могут быть усилены увели­чением сечений путем приварки новых дополнительных деталей. Несущая способность элемента при этом воз­растает с увеличением его сечения или жесткости. Од­нако нагрев элемента в процессе сварки может снижать его несущую способность. Степень снижения зависит от режима сварки, толщины и ширины элемента, на­правления сварки. Для продольных швов снижение прочности не превышает 15%, для поперечных может постигать 40%. Поэтому наложение швов поперек эле­мента при его усилении под нагрузкой категорически запрещается.

В связи с некоторой потерей прочности элементов при сварке, а также перераспределением напряжений как по сечению элемента, так и между элементами уси­ление под нагрузкой производят при напряжениях, не превышающих 0,8 R_у, где R_у - расчетное сопротивление для стали, из которой изготовлен элемент.

Усиление сжатых стоек.

Эффективным средством усиления сжатых стальных стержней является применение предварительно напря­женных телескопических труб и элементов из других жестких профилей.

Сущность способа (рис. 39) заключается в том, что разгружающая предварительно напряженная стойка со­стоит из двух труб требуемого диаметра, причем внут­ренняя труба сжата, а наружная растянута. Достигает­ся это следующим образом: наружную трубу устанавли­вают в горизонтальное положение, с одного торца трубы приваривают фланец с центральным отверстием диа­метром 30-40 мм, с другого торца на расстоянии 2-3 м строго по оси наружной трубы устанавливают внутрен­нюю трубу чуть меньшего диаметра, чтобы она могла с небольшим зазором входить в наружную. Затем газо­выми горелками производят нагрев наружной трубы до расчетного удлинения, вводят в нее внутреннюю трубу и обваривают по всему периметру свободного торца.

Сокращаясь при остывании, наружная труба обжимает внутреннюю. В таком виде предварительно напряжен­ный элемент устанавливают рядом с усиливаемой стой­кой и плотно подклинивают под разгружаемую конст­рукцию. Затем двумя газовыми горелками наружную трубу разрезают в нижней части по окружности, осво­бождая таким образом усилие предварительного напряжения во внутренней трубе. Удлиняясь, она разгружает рядом стоящую стойку. После этого наружная труба в сечении разрезки заваривается и в состоянии воспри­нять часть добавочной нагрузки на колонну (стойку) после усиления. Этот способ может применяться также при усилении внецентренно сжатых элементов.

Эффективным способом увеличения жесткости кар­касов промышленных зданий является устройство пред­варительно напряженных тяжей и оттяжек. Однако от­тяжки требуют массивных анкерных устройств, увеличе­ния площади застройки, а также они увеличивают сжи­мающие усилия в колоннах. Более эффективны тяжи, которые крепятся к соседним устойчивым зданиям. На­тяжение таких затяжек осуществляют механическим, электротермическим или комбинированным способом, а контроль эффективности усиления - по уменьшению смещений верхних узлов каркаса при горизонтальных нагрузках.

Повышения жесткости продольных и поперечных рам возможно добиться установкой крестовых диагональ­ных жестких связей, а когда это невозможно, - жест­ких распорок (ригелей) в сочетании с диагональными раскосами.

Рис. 3.39. Усиление предварительно напряженной стойкой:

1 - предварительно напряженная стойка; 2 - сварной шов; 3 - накладки

Эффективный способ увеличения прочности и жест­кости металлических ригелей - подведение под них про­катных или сварных балок с приваркой под нагрузкой в нагретом состоянии. При ограниченных габаритах по­мещений усиливающую балку устанавливают сверху, вскрывают пол и приваривают ее к верхней полке уси­ливаемого ригеля в предварительно напряженном со­стоянии. Усиливающие балки в первом и во втором слу­чаях заводят и жестко закрепляют в узлах рамы.

Повышения несущей способности стропильных балок и ригелей перекрытия возможно добиться устройством сплошного железобетонного настила, жестко связанно­го с верхним поясом балки. В этом случае жесткость ри­геля существенно повышается, и его можно рассматри­вать как тавровую железобетонную балку с жесткой арматурой.

Наиболее часто требуют усиления сжатые стальные элементы. Традиционным способом их усиления являет­ся увеличение сечения приваркой полос, уголков и дру­гих элементов без предварительного напряжения. Однако такой способ усиления обладает существенным недостатком: элементы усиления поздно включаются в ра­боту, приварка этих элементов вызывает в сжатых стойках дополнительные деформации, что снижает эф­фективность усиления. Поэтому традиционные способы усиления применяют, если временная нагрузка на стой­ки составляет не менее 40 % от постоянной и во время выполнения работ по усилению она отсутствует.

Рис. 3.40. Схемы усиления стоек ненапряженными элементами

Усиление стальных стоек ненапряженными элемен­тами осуществляют увеличением их сечения и уменьшением их свободной длины, при этом следует стремиться к максимальному увеличению радиусов инерции сечения (рис. 3.40). При выполнении усиления нагрузка на стой­ке не должна превышать 50-60 % расчетной.

При небольшой гибкости усиливаемого элемента не­обходимо уменьшать эксцентриситет от смещения, а при гибкости l > 80 - увеличивать его устойчивость.

Присоединение элементов усиления осуществляют в основном сваркой. Сварочный прогиб для элементов, которые усиливаются под нагрузкой, является нагру­жающим фактором, поэтому сначала усиливаемый эле­мент приваривают точечной сваркой, а затем наклады­вают основной шов. При этом предпочтение следует отдавать шпоночным (прерывистым) швам, которые уменьшают деформации элементов, сокращают сроки сварочных работ и уменьшают массу наплавленного ме­талла.

Усиление балок.

Усиление металлических балок осуществляют увели­чением сечения, при этом необходимо выполнить их раз­грузку не менее чем на 60 % или установить временные дополнительные опоры. При проектировании усиления необходимо придерживаться следующих технологичес­ких правил: объем сварки должен быть минимальным, сварные швы следует располагать в удобных доступных местах, необходимо избегать потолочной сварки, снача­ла надо усиливать нижний пояс, а затем верхний, что исключает прогиб балки в момент усиления.

Рис. 3.41. Схемы усиления балок симметричными на­кладками

Наиболее простой способ усиления-симметричны­ми накладками (рис. 3.41), однако при этом возникает необходимость в большом объеме потолочной сварки. При большой ширине нижней накладки можно избежать потолочных швов, однако ширина ее не должна превы­шать 506, в противном случае возникает значительная концентрация напряжений по кромкам балки.

Проверку прочности и устойчивости усиленной бал­ки производят как для цельного сечения, так как крити­ческие усилия не зависят от величины напряжений, су­ществовавших до усиления.

Для повышения местной устойчивости локальных участков стенки балки устанавливают на этих участках короткие ребра жесткости, окаймляя их продольными ребрами (рис. 3.42).

Эффективным способом усиления сплошных балок являются натяжные устройства, которые обеспечивают стабильную величину предварительного напряжения, не зависящую от податливости анкеров и вытяжки за­тяжек. Такие способы позволяют регулировать усилие предварительного напряжения в нижнем поясе балки. Один из варианта усиления представлен на рис. 43. Распорные элементы выполняют в виде секторов с гнез­дами, образующих с осью разрезные шарниры, располо­женные между скошенными торцами распираемых балок, натяжное устройство требуемой массы располага­ют внутри колонны. Этот способ наиболее эффективен при усилении подкрановых балок, так как требует ми­нимальных трудовых и материальных затрат.

Усиление ферм.

Усиление стальных ферм осуществляют подведением новых конструкций, введением дополнительных элемен­тов решетки, изменением схемы конструкции и увеличе­нием сечений отдельных элементов. Выбор того или ино­го способа усиления зависит от причин, вызвавших уси­ление стропильных конструкций. Подведение новых конструкций осуществляют в том случае, если другие способы усиления не дают требуе­мого эффекта и если по условиям производства допусти­ма установка дополнительных промежуточных стоек.

Дополнительные элементы решетки вводятся для уменьшения гибкости стержней в плоскости фермы, для усиления верхнего пояса фермы на местный изгиб, а также для увеличения жесткости и несущей способно­сти фермы в целом. Усиление нижнего пояса осуществляют, как правило, увеличением его сечения. Верхний пояс усиливают шпренгельной решеткой. Дополнитель­ную перекрестную решетку устанавливают для повыше­ния несущей способности и жесткости фермы в целом. В этом случае ферма превращается в статически неоп­ределимую систему и возникает опасность перераспре­деления усилий в элементах решетки (растянутые эле­менты испытывают сжимающие усилия, и наоборот). Поэтому иногда возникает необходимость дополнитель­ного усиления отдельных элементов решетки.

Наиболее распространенный характер повреждений стропильных ферм — погнутость стержней решетки, ко­торая достигает 50-70 мм. В этом случае увеличивают сечение решетки или устанавливают предварительно на­пряженные элементы, снижающие искривления элемен­тов решетки.

Существенного увеличения несущей способности фер­мы можно добиться установкой третьего пояса (шпрен­гельной системы) в пределах высоты фермы или (если допускает высота помещения) путем его закрепления в нижних опорных узлах. Такое усиление не требует до­полнительных опор и может выполняться из высоко­прочных канатов (пучков), обеспечивая минимальную материалоемкость усиления. Стойки шпренгельной си­стемы выполняют из жестких профилей.

Разгрузку су­ществующей фермы осуществляют предварительным на­пряжением третьего пояса, поэтому его сечение должно быть достаточным для воспринятая максимальных на­пряжений при полной нагрузке фермы. Усилия в раз­личных элементах конструкции суммируются из усилий, возникающих при предварительном напряжении третье­го пояса, а также усилий, в статически неопределимой усиленной конструкции от всех нагрузок, приложенных после усиления.

Одним из способов усиления ферм является над­стройка висячих (вантовых) систем, к которым подве­шивается усиливаемая конструкция. Этот способ осо­бенно эффективен, если ванты можно подвешивать к ря­дом стоящим более высоким и устойчивым сооружениям.

Усиления ферм можно добиться включением в их работу светоаэрационных фонарей. Наиболее эффекти­вен этот метод при расположении фонарей не по сере­дине пролета, а над колоннами в двух- и многопролет­ных цехах.

Как уже отмечалось, усиления верхнего пояса ферм можно добиться за счет включения 8 его работу желе­зобетонных плит покрытия.

Усиление соединений.

При недостаточной прочности сварных швов их уси­ливают увеличением длины.

Наращивание швов следует производить электрода­ми Э42, Э42А или Э46Т диаметром не более 4 мм при силе тока не более 220 А со скоростью, при которой за один проход размер катета не превышает 8 мм. Для элементов из уголков новые швы следует накладывать, начиная со стороны обушка от края фасовки в направ­лении существующих швов. Сварку последующего шва производят только после охлаждения предыдущего до 100°C. При усилении швов напряжения в усиливаемом элементе не должны превышать 0,8R_y, где R_y -расчет­ное сопротивление стали. Усиление должны производить высококвалифицированные, сварщики не ниже 5-го раз­ряда.

Усиление заклепочных соединений осуществляют вы­сокопрочными болтами с предварительным напряжени­ем. Болты устанавливают от середины узла к краям с помощью тарировочных ключей для измерения крутя­щих моментов. Из-за ослабления старых заклепок при установке новых высокопрочных болтов последние дол­жны быть рассчитаны на воспринятие полной нагрузки.

Из-за различной жесткости сварных и болтовых со­единений усиление последних при помощи сварки не ре­комендуется.