Усиление колонн

Содержание:

1. Вступление

2. Усиление колонн

  2.1  Усилении колонн с помощью устройства железобетонных или металлических обойм

  2. 2 Усиление колонн при помощи устройства «рубашек»

  2.3 Усиление колонн при помощи устройства предварительно напряженных металлических распорок. 

  2.4 Усиление колонн с помощью увелечения сечения

  2. 5 Усиление колонн с помощью предварительно напряженные оттяжки

3. Литуратура

1. Вступление

Необходимость усиления колонн возникает, как правило, только при значительном увеличении нагрузок, а также в случае существенного коррозионного износа конструкций. Поскольку колонны воспринимают нагрузки от всех вышележащих конструкций, их полная разгрузка крайне сложна, поэтому основной задачей при выборе способа усиления колонн является обеспечение возможности выполнения работ под нагрузкой или с частичной разгрузкой (например, снятие временных нагрузок).

Как и для других конструкций, усиление колонн может быть выполнено методом увеличения сечения, изменением конструктивной схемы или комбинированным методом. Наиболее распространенный способ повышения несущей способности колонн — увеличение сечения элементов. При усилении центрально-сжатых колонн должно быть обеспечено минимальное смещение центра тяжести усиленного сечения от линии действия сжимающих усилий, в связи с чем для них рационально симметричное усиление.

Если несущая способность колонн определяется устойчивостью относительно оси х то наиболее простым является усиление по схемам а, ж, и, л. При этом габариты колонн практически не возрастают, наряду с увеличением площади сечения возрастает радиус инерции относительно оси х и снижается гибкость. В связи с малой жесткостью элементов усиления по этим схемам могут быть усилены также колонны, получившие искривления.

При усилении внецентренно сжатых колонн с преобладающими моментами одного знака целесообразна несимметричная схема усиления со смещением центра тяжести усиленного сечения в сторону действия момента. Если моменты различных знаков близки по абсолютной величине, то, как и в случае центрально-сжатых   колонн, следует использовать симметричную или близкую к ней схему усиления.

В некоторых случаях центрально-сжатые или сжатые с небольшим эксцентриситетом колонны могут быть усилены обетонировкой. При конструировании усиления необходимо обеспечить совместную работу бетона усиления и основного стержня, в этом случае колонна после усиления может рассматриваться как железобетонный стержень с жесткой арматурой.

При условии обеспечения прочности колонн элементы усиления могут не доводиться до узлов (базы, оголовка). Крепление элементов усиления колонн осуществляется, как правило, на сварке. Сдвигающие усилия в швах невелики, поэтому их следует принимать минимальной высоты. В конструкциях, эксплуатируемых при температуре выше — 30°С, в неагрессивной и слабоагрессивной средах допускается применять прерывистые швы. Для предотвращения щелевой коррозии места примыкания элементов на участках между шпонками следует герметизировать.

2. Усиление колонн

2.1  Усилении колонн с помощью устройства железобетонных или металлических обойм

Одним из наиболее эффективных способов усиления железобетонных колонн является устройство железобетонных или металлических обойм. Усиление обоймами особенно рационально для колонн с небольшой гибкостью. 
В изгибаемых элементах обоймы рекомендуются в исключительных случаях (например, при значительной коррозии арматуры), так как усиление по всему периметру изгибаемого элемента нерационально с конструктивной точки зрения и требует значительных трудозатрат при производстве работ. 

Наиболее простым типом железобетонных обойм являются обоймы с обычной продольной и поперечной арматурой без связи арматуры обоймы с арматурой усиливаемой колонны (рис. 1). 
При таком способе усиления важно обеспечить совместную работу «старого» и «нового» бетона, что достигается тщательной очисткой поверхности бетона усиливаемой конструкции пескоструйным аппаратом, насечкой или обработкой металлическими щетками, а также промывкой под давлением непосредственно перед бетонированием. Для улучшения адгезии и защиты бетона и арматуры в агрессивных условиях эксплуатации рекомендуется применение полимербетонов. 



Рис. 1 Усиление колонны железобетонной обоймой: 
1 — усиливаемая колонна 
2 — обойма
3 — продольная арматура обоймы
4 — поперечная арматура обоймы 
5 — жесткая продольная обойма
6 — опорные уголки

Толщина обоймы колонн определяется расчетом и конструктивными требованиями (диаметром продольной и поперечной арматуры, величиной защитного слоя и т.п.). 
Как правило, она не превышает 300 мм. 
Площадь рабочей продольной арматуры также определяют расчетом, ее диаметр принимают не менее 16 мм для стержней, работающих на сжатие, и 12 мм для стержней, работающих на растяжение. 
Поперечную арматуру диаметром не менее 6 мм для вязаных каркасов и 8 мм для сварных устанавливают с шагом 15 диаметров продольной арматуры и не более трехкратной толщины обоймы, но не более 200 мм. В местах концентрации напряжений шаг хомутов уменьшается. 

При местном усилении обойму продлевают за пределы поврежденного участка на длину не менее пяти ее толщин и не менее длины анкеровки арматуры, а также не менее двух ширин большей грани колонны, но не менее 400 мм. 
При местном усилении для улучшения сцепления «нового» и «старого» бетона рекомендуется выполнять адгезионную обмазку из полимерных материалов. 

Поперечная арматура железобетонной обоймы может быть выполнена в виде спиральной обмотки (рис. 2) из проволоки диаметром не менее 6 мм. 
При этом спирали в плане должны быть круглыми и охватывать всю рабочую продольную арматуру. 
Расстояние между ветвями спирали должно быть не менее 40 мм и не более 100 мм, оно не должно также превышать 0,2 диаметра сечения ядра обоймы, охваченного спиралью. 
Более эффективны (но и более трудоемки) железобетонные обоймы, в которых обеспечивается связь существующей и дополнительной арматуры. Такие обоймы рекомендуются при сильном повреждении существующей арматуры или защитного слоя бетона. 
В этом случае арматуру усиливаемой конструкции тщательно очищают до чистого металла, разрушенные хомуты восстанавливают путем пробивки в бетоне поперечных борозд, установки в них новых хомутов и соединения их с продольной арматурой. 




Рис. 2 Усиление колонны обоймой со спиральной арматурой: 
1 — усиливаемая колонна
2 — обойма 
3 — спиральная арматура 




Рис. 3 Усиление колонны металлическими обоймами: 

1 — усиливаемая колонна 
2 — ветви обоймы
3 — планки обоймы
4 — опорный уголок

Дополнительную продольную арматуру приваривают у шествующей с помощью соединительных коротышей, которые во избежание пережогов выполняют из арматуры класса A-I диаметром 10-16 мм и располагают на расстоянии друг от друга не менее 20 диаметров продольной арматуры в шахматном порядке. 

2. 2 Усиление колонн при помощи устройства «рубашек»

При невозможности выполнения замкнутой обоймы, например при примыкании колонны к стене, рекомендуется устройство «рубашек» — незамкнутых с одной стороны обетонок. 
При этом способе усиления необходимо обеспечить надежную анкеровку поперечной арматуры по концам поперечного сечения «рубашек». 
В колоннах это осуществляется путем приварки хомутов к арматуре колонн. 

При усилении «рубашками» локальных поврежденных участков, как и при усилении обоймами, их необходимо продлить на неповрежденные части конструкции на длину не менее 500 мм, а также не менее длины анкеровки продольной арматуры, не менее ширины грани элемента или его диаметра и не менее пяти толщин стенки «рубашки». 

По конструктивным соображениям диаметр продольной и поперечной арматуры «рубашек» принимают не менее 8 мм, при вязаных каркасах минимальный диаметр хомутов - 6 мм. 
При невозможности увеличения сечения колонн и сжатых сроках производства работ по усилению рекомендуются металлические обоймы из уголков, устанавливаемых по граням колонн, и соединительных планок между ними (рис. 4). 
Эффективность включения металлической обоймы в работу колонны зависит от плотности прилегания уголков к телу колонны и от предварительного напряжения поперечных планок. 

Для плотного прилегания уголков поверхность бетона по граням колонн тщательно выравнивается скалыванием неровностей и зачеканкой цементным раствором. 
Предварительное напряжение соединительных планок осуществляется термическим способом. Для этого планки приваривают одной стороной к уголкам обоймы, затем разогревают газовой горелкой до 100-120°С и в разогретом состоянии приваривают второй конец планок. 
Замыкание планок осуществляют симметрично от среднего по высоте колонны пояса. 
При остывании планок происходит обжатие поперечных сечений колонны, что существенно повышает ее несущую способность. 

2.3 Усиление колонн при помощи устройства предварительно напряженных металлических распорок.

Предварительно напрягаемые распорки впервые предложены Н.М. Онуфриевым для усиления железобетонных колонн. Эффективность усиления ветвей нижней части стальных колонн предварительно напрягаемыми распорками возрастает пропорционально значению внешней нагрузки в момент усиления. Увеличение трудоемкости усиления, связанное с созданием усилия стягивания распорок для получения заданного предварительного напряжения, незначительно. Предварительное напряжение распорок усиления обеих ветвей производят синхронно. Усилие предварительного напряжения распорок каждой ветви пропорционально действующей в ней нормальной силе в момент усиления. Концевые крепления выполняют в пределах башмака и траверсы колонны. Иногда целесообразно разгружающие распорные системы устанавливать в плоскости, перпендикулярной той, в которой производится усиление.

Введение в работу усиливаемой колонны предварительно напрягаемых элементов трубчатого или другого жесткого профиля дает возможность разгрузить ее на любую заданную величину и позволяет избежать больших объемов сварочных работ, обычно имеющих место при традиционном усилении увеличением сечений.

При значительном увеличении крановых нагрузок в некоторых случаях рационально применять комбинированное усиление — разгрузку обеих ветвей колонны введением в работу нижней ее части предварительно напрягаемых жестких элементов с последующим увеличением сечений ветвей. Предварительно напряженные усиливающие элементы обеспечивают заранее заданный уровень снятия начальных деформаций и напряжений в усиливаемом стержне, что позволяет безопасно соединить основной и добавляемый элементы сваркой. Несущая способность сжатых стержней, усиленных с предварительным напряжением увеличивается за счет повышения зоны ее упругой работы, полной совместной работы старого и нового сечений и уменьшения начального прогиба усиливаемого стержня.

Усиление конструкций колонн изложенными способами отличается достаточно высокими затратами на производство работ по усилению, что ограничивает область их применения (в особенности для колонн одноэтажных промышленных зданий). МакИСИ предложен способ усиления, позволяющий расширить применение эффекта предварительного напряжения при усилении колонн и их отдельных элементов (в частности, при увеличении вылета подкрановой консоли, усилении поврежденных участков колонны и т.п.).

Суть способа состоит в следующем. В состав колонны вводится предварительно сжатый элемент усиления, при этом, после закрепления элемента усилие предварительного сжатия снимается и становится разгружающим усилием для существующей колонны. На усиливаемую колонну одевается обойма из уголков, скрепленных планками. Осуществляется опирание обоймы на фундамент и предварительное напряжение ее ветвей металлическими тяжами. Усилие предварительного напряжения контролируется динамометрическими ключами. После достижения расчетного усилия верхняя часть обоймы приваривается к колонне. Обойма включается в работу разрезанием тяжей. Растягивающие усилия элемента усиления оказывают разгружающее действие на существующую колонну.

Способ усиления колонн предварительно напряженными элементами позволяет решить ряд инженерных задач, возникающих при усилении конструкций колонн промышленных зданий, к числу которых относятся:

общее усиление колонн для увеличения расчетных нагрузок, вызванное изменением режима эксплуатации (повышение грузоподъемности мостовых кранов и т.п.);

выключение из работы всей колонны или ее отдельных участков, получивших повреждение при эксплуатации;

изменение геометрических параметров колонн (увеличение вылета подкрановой консоли и т.п.).

Этот способ был применен при усилении колонн чугуно-литейного цеха машиностроительного завода. При реконструкции цеха возникла необходимость увеличения вылета консоли колонн. Для восприятия дополнительного изгибающего момента, обусловленного смещением подкрановых балок относительно существующего положения, в состав колонн вводится предварительно напряженный подкос, состоящий из двух швеллеров № 18. Усилие предварительного напряжения в подкосе, создаваемое динамометрическими ключами, подбиралось таким, чтобы компенсировать дополнительный изгибающий момент. Установка и приварка заранее изготовленных подкосов была проведена практически без остановки технологического процесса, что дало значительный экономический эффект.
Эффективным средством усиления нагруженных колонн является устройство предварительно напряженных металлических распорок. 
Одно- или двусторонние распорки представляют собой металлические обоймы с предварительно напряженными стойками, расположенными с одной или двух сторон колонн (рис. 5). 
Первые применяют для увеличения несущей способности внецентренно сжатых колонн с большими и малыми эксцентриситетами, вторые — для центрально и внецентренно сжатых колонн с двузначной эпюрой моментов. 

Предварительно напряженные односторонние распорки состоят из двух уголков, соединенных между собой металлическими планками. В верхней и нижней зонах распорок приваривают специальные планки толщиной не менее 15 мм, которые передают нагрузку на упорные уголки и имеют площадь поперечного сечения, равную сечению распорок. 





Рис. 4 Усиление колонны предварительно напряженными двусторонними металлическими распорками: 

а — в период монтажа б — в напряженном состоянии; 
1 — крепежный монтажный болт
2 — натяжной монтажный болт 
3 — усиливаемая колонна
4 — уголки распорок 
5 — упорные уголки 
6 — планка для натяжения болтов в месте перегиба
7 — планки-упоры 
8 — соединительные планки

Планки устанавливают таким образом, чтобы они выступали за торцы уголков распорок на 100-120 мм, и снабжают двумя отверстиями для стяжных болтов. 
Упорные уголки должны быть установлены таким образом, чтобы их внутренние грани совпадали с наружной гранью колонн. 
Для этого защитный слой бетона в верхней и нижней зонах колонны скалывают и устанавливают упорные уголки на цементном растворе строго горизонтально. 
До установки распорок в проектное положение в боковых полках уголков в середине их высоты выполняется вырез и осуществляется их незначительный перегиб. 

Ослабление поперечного сечения уголков в месте выреза компенсируется приваркой дополнительных планок, в которых предусмотрены отверстия для стяжных болтов. 
Предварительное напряжение распорок создается путем придания им вертикального положения за счет закручивания гаек натяжных болтов. При этом необходимо обеспечить плотное прилегание уголков к телу колонны, а также их совместную работу, объединив распорки с помощью приварки к ним металлических планок. 
Шаг планок принимают равным минимальному размеру сечения колонны. После приварки планок стяжные монтажные болты снимают, а ослабленные сечения распорок усиливают дополнительными металлическими накладками. 

Для эффективного включения распорок в работу достаточно создать в них предварительное напряжение порядка 40-70 МПа, что обеспечивается за счет расчетного удлинения при выпрямлении уголков. 
При увеличении нагрузки на консоли колонн их усиливают предварительно напряженными горизонтальными или наклонными тяжами (рис. 5). 



Рис. 5 Усиления консолей предварительно напряженными тяжами: 

1 — усиливаемая консоль
2 — опорные элементы
3 — упоры из уголков
4 — предварительно напряженные тяжи
5 — анкеры 
6 — упоры из швеллеров

Предварительное напряжение создается завинчиванием гаек или взаимным стягиванием хомутов. Применяют также разгрузку консолей с помощью дополнительных металлических кронштейнов (рис. 6) или специальных опор в виде швеллеров (уголков), которые крепят к колонне с помощью предварительно напряженных тяжей (&豻sp = 40-50 МПа). 



Рис. 6 Усиление опирания балок: 
а — при короткой консоли б — при длинной консоли; 
1 — хомут вокруг колонны
2 — колонна
3 — тяжи 
4 — подклинка 
5 — подставка из отрезка двутавра 
6 — подвесная балка из швелле-рор
7 —гайка тяжей 
8 — упорный уголок 
9 — ригель 
10 — уголковая поперечная подпорка 
11 — горизонтальные упоры из уголков
12 — вертикальные крепежные болты 



Железобетонные сжатые элементы, усиленные обоймами, «рубашками» и наращиванием рассчитывают как монолитные. 
При этом учет влияния продольного изгиба на несущую способность рекомендуется осуществлять путем расчета конструкции по деформированной схеме. 

Изложенная ниже методика расчета правомочна в том случае, если элементы усиления плотно примыкают к опорным частям конструкций и обеспечена анкеровка арматуры в бетоне согласно требованиям СНиП.

Как показывают результаты обследований, повреждения колонн от силовых воздействий достаточно редки, что объясняется значительной недогруженностью колонн промышленных зданий и наличием в них определенных резервов несущей способности. Поэтому во многих случаях при реконструкции производственных зданий не требуется усиливать или заменять колонны и для обеспечения их дальнейшей нормальной эксплуатации можно ограничиться лишь небольшими ремонтными работами по ликвидации отдельных повреждений.

2.4 Усиление колонн с помощью увелечения сечения

Усиление колонн способом увеличения сечения достаточно эффективно и может выполняться практически при любом повышении нагрузок. Однако большая протяженность вертикальных швов, необходимость устройства подмостей по всей высоте колонны повышают трудоемкость работ по усилению. Кроме того, при усилении колонн, заделанных в стене, приходится проводить разборку стенового ограждения.

В результате приварки элементов усиления в колоннах возникает остаточный сварочный прогиб, приводящий к появлению дополнительного эксцентриситета приложения нагрузки. Направление остаточного прогиба противоположно направлению прогиба элемента непосредственно в процессе сварки, поэтому в тот или иной период времени сварочный прогиб для колонн, усиливаемых под нагрузкой, представляет собой догружающий фактор.

Сварочный прогиб зависит от жесткости стержня и погонной энергии при наложении швов. Для снижения влияния сварочных прогибов рекомендуется после сборки элементов усиления осуществить вначале их точечную приварку и лишь затем приступить к наложению основных швов. Это обеспечивает совместную работу элементов усиления и основного стержня и способствует снижению сварочных деформаций. Применение шпоночных швов также приводит к значительному уменьшению прогибов и сокращает сроки выполнения сварочных работ.

Усиление колонн способом изменения конструктивной схемы достаточно разнообразно. В высоких однопролетных зданиях с кровлей малой жесткости (волнистые листы с креплением на кляммерах) ужесточением связей по нижним поясам ферм (схема а) можно существенно увеличить эффект пространственной работы и уменьшить моменты от крановых нагрузок в нижнем сечении колонн до 50%. Особенно целесообразен этот прием в коротких зданиях при устройстве жестких торцов. В этом случае верхний конец колонн может считаться несменяемым, что приводит к уменьшению расчетной длины колонны в плоскости рамы.

Значительно повышается эффект пространственной работы каркаса также при устройстве неразрезных подкрановых конструкций. При этом благодаря введению дополнительной упругой опоры на уровне тормозных конструкций расчетная длина колонны в плоскости рамы снижается на 15—20%. Расчетную длину колонн из плоскости рамы можно уменьшить постановкой дополнительных распорок.

2. 5 Усиление колонн с помощью предварительно напряженные оттяжки

Для повышения поперечной жесткости каркаса и уменьшения расчетной длины колонн могут использоваться предварительно напряженные оттяжки. Однако такое усиление увеличивает в стойках продольные усилия в результате натяжения оттяжек, требует устройства сложных анкерных креплений и загромождает прилегающую к зданию территорию. Применение этого способа оправдано в исключительных случаях, когда другие методы усиления не могут быть использованы.

Одним из способов усиления колонн является снижение в них продольных усилий, благодаря введению дополнительных стоек или подкосов. Для уменьшения продольных усилий от крановых нагрузок дополнительными стойками или подкосами подкрепляются подкрановые балки. Этот способ целесообразен при необходимости одновременного усиления подкрановых конструкций. Если балки опираются на консоли колонн, то для их разгрузки могут быть установлены подкрановые стойки, соединенные с основной колонной гибкими связями.

В пролетах без мостовых кранов на дополнительные стойки могут быть переданы нагрузки от покрытия. Установка дополнительных стоек загромождает пространство цеха и требует устройства отдельных фундаментов. Кроме того, для включения элементов усиления в работу необходимо плотно подогнать их к вышележащим конструкциям подклиниванием или домкратами. Все это усложняет производство работ и повышает их трудоемкость. При значительном повышении крановых нагрузок целесообразно устройство отдельной крановой эстакады, воспринимающей все вертикальные нагрузки от кранов, при этом пролет мостовых кранов должен быть несколько уменьшен.

Разгрузка колонн введением дополнительных стоек может быть рекомендована в случае, если колонны при эксплуатации получили существенные повреждения и их усиление методом увеличения сечения не может быть выполнено   (большой коррозионный износ, низкая свариваемость стали и т.д.). После разгрузки поврежденные колонны могут быть усилены бетоном. В некоторых случаях для усиления колонн может быть использован эффект предварительного напряжения. Такое усиление имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционными методами. Это: разгрузка элементов конструкций и снятие опасных напряжений; включение элементов усиления в работу конструкций непосредственно после их прикрепления; увеличение зоны упругой работы конструкций; снижение объема сварочных работ при монтаже элементов усиления; рациональное использование свойств материалов высокой прочности, применяемых для элементов усиления.

К наиболее эффективным способам усиления колонн предварительно напрягаемыми элементами, относятся : увеличение сечений предварительно напрягаемыми распорками; введение в работу усиливаемых колонн предварительно напряженных элементов из труб и других жестких профилей; комбинированное усиление — разгрузка колонны вводимыми в ее работу предварительно напрягаемыми элементами с последующим ее усилением увеличением сечений.

Литература:

1.