СПОСОБ УСИЛЕНИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННОЙ БАЛКИ ШПРЕНГЕЛЕМ Российский патент 2003 года по МПК E04C3/10 

Изобретение относится к области строительства и может быть использовано в качестве способа усиления шпренгелями железобетонных балок, входящих в состав несущих элементов покрытий зданий и сооружений или являющихся отдельно стоящими балочными конструкциями, например подкрановыми балками и т.п.

Известен способ усиления балок (преимущественно железобетонных), в котором к усиливаемой железобетонной балке прикрепляют парные шарнирно-стержневые цепи (затяжки) из уголков, стойки шпренгеля (вертикальные распорки) и пластины с отверстиями для подвески натяжных грузов, затем к пластинам с отверстиями подвешивают натяжные грузы и устанавливают дополнительные стойки шпренгеля, после чего снимают натяжные грузы [1].

Недостатком известного способа усиления балок является его повышенная трудоемкость, обусловленная необходимостью выгиба усиливаемых железобетонных балок вверх с целью закрытия трещин и обжатия бетона растянутых зон балок. Усиливаемые железобетонные балки обладают значительными размерами поперечного сечения и, соответственно, высокой изгибной жесткостью, а для их выгиба в сторону, противоположную действующим эксплуатационным нагрузкам, требуется создание в шарнирно-стержневых цепях (затяжках) значительных усилий предварительного напряжения, что предопределяет необходимость доставки, подвески и снятия грузов значительной массы, что, как следствие, приводит к увеличению трудоемкости способа усиления балок.

Кроме того, для восприятия значительных усилий предварительного напряжения необходимы затяжки значительных поперечных сечений и узловые соединения увеличенных размеров, что приводит к повышению материалоемкости шпренгельной системы усиления в целом.

Также известен способ усиления балочных элементов (преимущественно железобетонных), включающий прикрепление к балочному элементу опорных анкеров, присоединение к ним парных шпренгельных затяжек, установку между балочным элементом и шпренгельными затяжками подкладок-коротышей, прикрепление к шпренгельным затяжкам поперечных соединительных стержней и напряжение шпренгельных затяжек путем стягивания их навстречу друг другу в горизонтальном направлении соединительными стержнями [2] (принято за прототип).

Недостатком такого технического решения является трудоемкость осуществления усиления, недостаточное закрытие трещин и обжатие бетона в процессе усиления в растянутых (при эксплуатации) зонах балочных элементов. При этом необходимость закрытия трещин и обжатия растянутых зон бетона усиливаемых железобетонных балок, обладающих значительными размерами поперечного сечения и, соответственно, высокой изгибной жесткостью, обуславливает необходимость выгиба балки в сторону, противоположную действующим эксплуатационным нагрузкам, что требует создания в шпренгельных затяжках значительных усилий предварительного напряжения и предопределяет повышенные трудозатраты на их натяжение, что, как следствие, приводит к увеличению трудоемкости способа усиления балочных элементов в целом. Кроме того, для восприятия значительных по величине усилий предварительного напряжения необходимы затяжки и узловые соединения увеличенных размеров, что приводит к повышению материалоемкости шпренгельной системы усиления в целом.

Задачей настоящего изобретения является снижение трудоемкости усиления железобетонных балок, имеющих, как правило, трещины в растянутых при эксплуатации зонах, шпренгелем и повышение их трещиностойкости, а также снижение материалоемкости шпренгельной системы.

Технический результат достигается тем, что в способе усиления железобетонной балки, включающем прикрепление к железобетонной балке стоек шпренгеля, присоединение к приопорным частям железобетонной балки, а также к нижним концам стоек шпренгеля затяжки с натяжным устройством и ее предварительное напряжение, причем после присоединения затяжки производят ее начальное напряжение, затем в железобетонной балке, со стороны ее сжатой зоны, выполняют поперечные пропилы, высоты которых переменны и пропорциональны величинам изгибающих моментов в железобетонной балке от нагрузок, после чего натяжным устройством донапрягают затяжку и заполняют поперечные пропилы жесткими вкладышами.

Изобретение иллюстрируется следующими графическими материалами:
- на фиг.1 представлен общий вид железобетонной балки в процессе усиления шпренгелем;
- на фиг.2 - общий вид железобетонной балки, усиленной шпренгелем;
- на фиг.3 представлен узел "А" на фиг.1;
- на фиг.4 - вид по 1-1 на фиг.3;
- на фиг.5 представлен узел "Б" на фиг.1;
- на фиг.6 - вид по 2-2 на фиг.5..

Предлагаемый способ усиления железобетонной балки шпренгелем, включая операции предварительного напряжения, заключается в следующем.

К железобетонной балке 1 с нормальными трещинами 2 в нижней, растянутой при действии эксплуатационных нагрузок зоне, расположенной в средней части пролета железобетонной балки 1, с помощью хомутовых захватов 3 присоединяют стойки шпренгеля 4 со смонтированными на их нижних концах направляющими 5, выполненными, например, в виде изогнутых трубчатых элементов. Затем у опор железобетонной балки 1 на верхней и нижней ее плоскостях выполяют поперечные борозды 6 и 7, причем борозды 6 ближе, а борозды 7 дальше от опор железобетонной балки 1, затем устанавливают наклонные хомуты 8 и анкерные упоры 9 со стопорами 10, при этом наклонные хомуты 8 на верхней плоскости железобетонной балки 1 заводят в поперечные борозды 6, а стопоры 10 анкерных упоров 9 - в поперечные борозды 7 на ее нижней плоскости.

После этого в направляющие 5 пропускают затяжку 11 со смонтированным на ней натяжным устройством 12 (например, стяжной муфтой) и закрепляют ее на анкерных упорах 9, например, с помощью петлевых захватов 13, замыкающих затяжку 11 на ее концах, например, с помощью сварки.

Затем с помощью натяжного устройства 12 производят начальное напряжение затяжки 11 на величину Н_о, при которой в железобетонной балке 1 возникает изгибающий момент, равный по величине и обратный по направлению изгибающему моменту от собственной массы железобетонной балки 1.

После чего со стороны сжатой от эксплуатационных нагрузок зоны железобетонной балки 1 (сверху) выполняют поперечные пропилы 14 (например, с использованием отрезной машины, снабженной алмазным диском и т.п.). Высоты d_i поперечных пропилов 14 выполняют переменными по длине железобетонной балки 1 пропорционально величинам изгибающих моментов в железобетонной балке 1 от эксплуатационных нагрузок, т.е. d₁:d₂:d₃:dn=M₁:M₂:М₃:M_n.

Затем с помощью натяжного устройства 12 донапрягают затяжку 11 усилием величиной Н. В процессе донапряжения затяжки 11 железобетонная балка 1 изгибается в сторону, противоположную направлению действия внешних эксплуатационных нагрузок (вверх). При этом в нижних зонах, растянутых от эксплуатационных нагрузок, железобетонной балки 1 в сечениях с нормальными трещинами 2 возникают сжимающие напряжения, достаточные для обжатия этих сечений, что приводит к "закрытию" нормальных трещин 2. Затем заполняют поперечные пропилы 14 жесткими вкладышами 15, например плотно вклинивают металлические пластины, либо заполняют поперечные пропилы 14 быстротвердеющими составами (например, на основе эпоксидных смол, быстротвердеющих цементных составов и т.п. с выдержкой их до набора необходимой прочности).

После этого железобетонная балка 1 является усиленной с помощью предварительно напряженного шпренгеля.

На стадии начального напряжения затяжки 11 натяжным устройством 12 в ней создаются растягивающие усилия, а в железобетонной балке 1 - соответствующее продольное сжимающее усилие и изгибающий момент, равный по величине и противоположный по направлению изгибающему моменту от ее собственной массы, что снижает нормальные растягивающие напряжения от изгиба в нижних зонах ее поперечных сечений.

Таким образом, при донапряжении затяжки 11 в железобетонной балке 1 создается усилие обжатия необходимой величины, при этом достигается определенный уровень нормальных сжимающих напряжений в зонах железобетонной балки 1 с нормальными трещинами 2, который обеспечивает их "закрытие", а также снижает в них (при действии эксплуатационных нагрузок) растягивающие напряжения, что обеспечивает в усиленной предварительно напряженным шпренгелем железобетонной балке 1 либо отсутствие нормальных трещин при действии эксплуатационных нагрузок, либо определяет возможность их ограниченного раскрытия.

Поперечные пропилы 14 приводят к ослаблению поперечных сечений железобетонной балки 1 на стадии усиления (стадии начального напряжения и донапряжения). Как известно, изгибная жесткость балки зависит от высоты ее поперечного сечения, так, например, для прямоугольного поперечного сечения она изменяется пропорционально кубу высотного размера сечения. Поэтому поперечные пропилы 14 даже незначительной высоты d_i приводят к существенному уменьшению изгибной жесткости железобетонной балки 1, что позволяет значительно уменьшить растягивающие усилия в затяжке 11 (на стадии ее донапряжения), необходимые для обеспечения требуемого выгиба железобетонной балки 1 вверх и "закрытия"нормальных трещин 2, что, как следствие, проводит к снижению материалоемкости затяжки, анкеров и натяжных устройств, а также трудоемкости процесса усиления железобетонной балки 1 в целом.

Как известно, наибольшие по высоте и ширине раскрытия трещины 2, нормальные к продольной оси железобетонной балки 1, возникают на участках с наибольшими по величине изгибающими моментами (в средней части пролета железобетонной балки 1), так как на этих участках в нижних зонах поперечных сечений возникают наибольшие растягивающие нормальные напряжения. Также известно, что прогибы и соответствующие им кривизны продольной оси железобетонной балки 1 под нагрузками пропорциональны изгибной жесткости ее поперечных сечений.

Таким образом, изменение высот d_i поперечных пропилов 14 пропорционально величинам изгибающих моментов позволяет целенаправленно изменять изгибную жесткость железобетонной балки 1 по ее пролету, что, в свою очередь, приводит к изменению радиусов кривизны продольной оси по длине железобетонной балки 1 в соответствии с шириной раскрытия нормальных трещин (на участках с наибольшим раскрытием трещин радиусы кривизны принимают наименьшие значения и наоборот). При этом при наименьших усилиях в затяжке 11 обеспечивается полное и одновременное "закрытие" нормальных трещин 2 разной ширины и высоты на всех участках их возникновения, что снижает трудоемкость донапряжения затяжки 11 (и всего процесса усиления железобетонной балки 1), а также материалоемкость шпренгельной системы в целом.

Кроме того, изменение высот d_i поперечных пропилов 14 пропорционально величинам изгибающих моментов в сечениях железобетонной балки 1 приводит к тому, что в сечениях, ослабленных наибольшими по ширине раскрытия нормальными трещинами 2, располагаются поперечные пропилы наибольшей высоты d_i, что на стадии донапряжения затяжки 11 создает в этих сечениях наибольшие нормальные напряжения сжатия (обжатия), а в эксплуатационном режиме, соответственно, отдаляет момент появления в этих сечениях растягивающих напряжений, что, как следствие, увеличивает трещиностойкость железобетонной балки 1 в целом.

Заполнение поперечных пропилов 14 после донапряжения затяжки 11 жесткими вкладышами 15 приводит к восстановлению сплошности поперечных сечений железобетонной балки 1 и соответствующему восстановлению исходных значений ее осевой и изгибной жесткостей.

Установка наклонных хомутов 8 в поперечные борозды 6, а анкерных упоров 9 со стопорами 10 в борозды 7 фиксирует положение затяжки 11 на приопорных участках железобетонной балки 1. Причем часть усилий в затяжке 11 на всех стадиях ее работы (начального напряжения, донапряжения, эксплуатационного режима) передается на железобетонную балку 1 в виде сжимающих усилий распора через стопоры 10 анкерных упоров 9 в уровне нижней плоскости железобетонной балки 1, что создает дополнительный изгибающий момент в направлении, противоположном изгибающим моментам от собственной массы железобетонной балки 1 и эксплуатационных нагрузок, что приводит к дополнительному снижению необходимых усилий напряжения в затяжке 11 и, как следствие, к снижению трудоемкости усиления железобетонной балки 1 и снижению материалоемкости шпренгельной системы.

В процессе создания предварительного напряжения затяжка 11 является центрально растянутым элементом, в стойках шпренгеля 4 возникают сжимающие усилия, а железобетонная балка 1 работает в условиях внецентренного сжатия. В период работы на эксплуатационные нагрузки железобетонная балка 1 внецентренно сжата, при этом от действия внешних поперечных нагрузок и упругого отпора стоек шпренгеля 4 возникают изгибные напряжения, а от растягивающих усилий в затяжке 11 - сжимающие. В стойках 3 шпренгеля возникают сжимающие усилия.

Растянутая затяжка 11, как любой растянутый элемент, обладает устойчивостью своего пространственного положения. Следовательно, на нее можно опереть стойки 4 шпренгеля. При этом стойки 4 шпренгеля можно рассматривать как упруго-податливые промежуточные опоры для железобетонной балки 1, резко уменьшающие ее начальный пролет, что приводит к соответствующему уменьшению усилий (изгибающих моментов) в поперечных сечениях железобетонной балки 1.

Как известно, включение системы усиления в виде предварительно напряженного шпренгеля в совместную работу с усиливаемым элементом является одной из основных задач при усилении. Предлагаемый способ усиления позволяет решить эту задачу.

Предлагаемый способ усиления железобетонной балки шпренгелем относится к способам усиления с изменением первоначальной расчетной схемы.

Использование изобретения позволит снизить трудоемкость усиления железобетонной балки шпренгелем и уменьшить материалоемкость шпренгельной системы, а также увеличить трещиностойкость железобетонной балки, либо уменьшить в ней ширину раскрытия трещин.

Использование изобретения позволяет снизить трудоемкость способа усиления балок до 9...15%, материалоемкость шпренгельной системы усиления - на 12...18% при уменьшении ширины раскрытия трещин.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Санжаровский Р.С. и др. Усиления при реконструкции зданий и сооружений. - С. - Пб.: С. Пб. гос. арх.-строит. ун-т, 1998.-637 с. Рис. 3.4.22. на стр.240.

2. Онуфриев Н.М. Усиление железобетонных конструкций промышленных зданий и сооружений. -Л.-М.: Издательство литературы по строительству, 1965. -142 с. рис. 45 на стр. 133.

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. п. Технический результат: снижение трудоемкости усиления железобетонных балок и повышение их трещиностойкости. Способ усиления железобетонной балки включает прикрепление к железобетонной балке стоек шпренгеля, присоединение к приопорным частям железобетонной балки, а также к нижним концам стоек шпренгеля затяжки с натяжным устройством и ее предварительное напряжение. После присоединения затяжки производят ее начальное напряжение. Затем в железобетонной балке, со стороны ее сжатой зоны, выполняют поперечные пропилы, высоты которых переменны и пропорциональны величинам изгибающих моментов в железобетонной балке от нагрузок, после чего натяжным устройством донапрягают затяжку и заполняют поперечные пропилы жесткими вкладышами. 6 ил.

Способ усиления железобетонной балки шпренгелем, включающий прикрепление к железобетонной балке стоек шпренгеля, присоединение к приопорным частям железобетонной балки, а, также, к нижним концам стоек шпренгеля затяжки с натяжным устройством и ее предварительное напряжение, отличающийся тем, что после присоединения затяжки производят ее начальное напряжение, затем в железобетонной балке, со стороны ее сжатой зоны, выполняют поперечные пропилы, высоты которых переменны и пропорциональны величинам изгибающих моментов в железобетонной балке от нагрузок, после чего натяжным устройством донапрягают затяжку и заполняют поперечные пропилы жесткими вкладышами.