СПОСОБ УСИЛЕНИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ БАЛОК Российский патент 2006 года по МПК E04G23/00 

Изобретение относится к области строительства, а более конкретно к усилению строительных конструкций, преимущественно железобетонных балок, и может быть использовано для поврежденных и неповрежденных балочных конструкций при увеличении на них эксплуатационных нагрузок.

При реконструкции зданий и сооружений возникает необходимость усиления железобетонных балок, в том числе под нагрузки, превышающие проектные. Известна конструкция усиления, состоящая из предварительно напряженной двухветвевой шпренгельной затяжки с дополнительным двухветвевым элементом, устанавливаемым в уровне верхнего пояса и воспринимающим усилие обжатия от шпренгельной затяжки (Авторское свидетельство СССР №922257, кл. Е 04 G 23/02, 1982). Эту затяжку выполняют следующим образом: усиливаемую железобетонную балку с напрягаемой шпренгельной затяжкой на торцах крепят к дополнительному сжатому элементу. Усилие в шпренгельной затяжке определяют в зависимости от фактической несущей способности железобетонной балки. Усилие в затяжке при этом раскладывают на реактивную составляющую, воспринимаемую опорой, и реактивную составляющую, воспринимаемую сжатым элементом. Конструкция, выполненная таким способом, может быть использована для балок с повреждениями в сжатой зоне или при увеличении нагрузок. Причем в местах перегиба затяжек располагают опоры, на которых создаются разгружающие изгибающие моменты.

Существует конструкция усиления предварительно напряженной двухветвевой шпренгельной затяжкой, в которой шарнирные опоры затяжки в местах перегиба ветвей выполняют подвижными вдоль оси балки и с дополнительными тяжами, которые закрепляют в местах перегиба затяжки (Авторское свидетельство СССР №1170097 А, кл. Е 04 G 23/02, 1985). При этом затяжку закрепляют на торцах балки в верхней ее части, а тяжи на торцевой грани балки ниже нейтральной оси. Тяжи выполняют с горизонтальными и наклонными участками, а в местах перегиба на нижнюю грань балки устраивают шарнирно-неподвижные опоры. Устройство тяжей позволяет создать дополнительные опоры между опорой затяжки и опорой балки. В каждой опоре возникают реакции анкерных узлов, вертикальные составляющие которых выгибают балку в направлении, противоположном действию внешней нагрузки. Величина нужного предварительного напряжения в тяжах затяжки, выполненной по известному методу, основана на построении эпюр разгружающих моментов, которые уменьшают действующий момент.

Известен способ усиления железобетонных балок, опубликованный в книге: Онуфриев Н.М. Усиление железобетонных конструкций промышленных зданий и сооружений. - Л.-М.: Стройиздат, 1965. - с.132-148. Он принят за прототип заявляемого способа. Усиление выполняют предварительно напряженной двухветвевой шпренгельной затяжкой с передачей усилия обжатия на бетон верхнего пояса конструкции. Эту затяжку выполняют следующим образом. На торец железобетонной балки устанавливают анкера крайних опор, к которым затем на сварке прикрепляют тяжи. Сечение стержней шпренгельной затяжки назначают конструктивно или ориентировочно. Устанавливают дополнительные опоры на нижнюю грань балки в местах перегиба шпренгельных затяжек. Предварительное натяжение в тяжах затяжек создают путем взаимного стягивания обеих ветвей стяжными болтами или другими способами. Определение усилий в затяжке сводится к выводу выражения для вычисления ординат линий влияния (Онуфриев Н.М. Усиление железобетонных конструкций промышленных зданий и сооружений. - Л.-М.: Стройиздат, 1965. - с.151...163). Для этого:

1. Рассчитывают и строят первоначальные эпюры действующих изгибающих моментов железобетонной балки, подлежащей усилению.

2. Рассчитывают и строят эпюры изгибающих моментов (несущей способности) железобетонной балки, подлежащей усилению.

3. Ориентировочно определяют необходимую площадь поперечного сечения затяжки усиления.

4. Определяют усилия в затяжке от полной расчетной нагрузки.

5. Определяют величину нужного предварительного напряжения в тяжах затяжки.

В результате применения преднапряженных затяжек, выполненных известными способами (Онуфриев Н.М. Усиление железобетонных конструкций промышленных зданий и сооружений. - Л.-М.: Стройиздат, 1965. - с.134. Авторское свидетельство СССР №1170097 А, кл. Е 04 G 23/02, 1985), обычный изгибаемый элемент становится внецентренно сжатым, изменяя одновременно свою первоначальную конструктивную схему. Все конструкции усиления, выполненные по такому способу, включают в себя опоры, расположенные в местах перегиба затяжек, на которых создаются разгружающие изгибающие моменты. Однако эффективность работы шпренгельной затяжки в зависимости от места расположения опор не определена.

Задача изобретения - определить условия эффективной работы шпренгельной затяжки при усилении железобетонных балок и разработать на основе этих условий способ усиления, гарантирующий высокую несущую способность и трещиностойкость усиливаемых железобетонных балок.

Задача решена следующим образом. Общее с прототипом является то, что на балке устанавливают и закрепляют предварительно напряженную двухветвевую шпренгельную затяжку. Но в отличие от прототипа согласно изобретению предварительное напряжение в шпренгельной затяжке создают усилием, соответствующим формуле:

где F_i - создаваемое усилие в начале шпренгельной затяжки;

- максимальный относительный изгибающий момент от внешних нагрузок в сечении железобетонной балки;

α_mui=4(α_s-α^/ _s)·(1-α_s+α^/ _s)+8α_sζ_s+8α^/ _sζ^/ _s - относительная несущая способность нормального сечения балки;

α - угол наклона тяжей шпренгельной затяжки относительно продольной оси балки;

R_b - расчетное сопротивление бетона, из которого выполнена балка, осевому сжатию;

b - ширина сечения балки;

h - высота сечения балки;

М_i - максимальный изгибающий момент от внешних нагрузок;

- относительное усилие, воспринимаемое растянутой арматурой балки, технический коэффициент армирования растянутой зоны балки;

- относительное усилие, воспринимаемое сжатой арматурой балки, технический коэффициент армирования сжатой зоны балки;

ζ_s=0,5-δ - относительное расстояние от центра тяжести балки до усилия в растянутой арматуре;

δ=а/h - относительное расстояние между центром тяжести растянутой арматуры и нижней гранью балки;

ζ^/ _s=0,5-δ₁ - относительное расстояние от центра тяжести балки до усилия в сжатой арматуре;

δ₁=a^//h - относительное расстояние между центром тяжести сжатой арматуры и верхней гранью балки;

R_s - расчетное сопротивление арматуры балки растяжению;

А_s - площадь растянутой арматуры балки;

R_sc - расчетное сопротивление арматуры балки сжатию;

А^/ _s - площадь сжатой арматуры балки,

одновременно с этим проверяют соответствие этого усилия условию:

где F_i - создаваемое усилие в начале шпренгельной затяжки;

- относительное усилие, воспринимаемое растянутой арматурой балки, технический коэффициент армирования растянутой зоны балки;

- относительное усилие, воспринимаемое сжатой арматурой балки, технический коэффициент армирования сжатой зоны балки;

R_s - расчетное сопротивление арматуры балки растяжению;

А_s - площадь растянутой арматуры балки;

R_sc - расчетное сопротивление арматуры балки сжатию;

А^/ _s - площадь сжатой арматуры балки;

R_b - расчетное сопротивление бетона, из которого выполнена балка, осевому сжатию;

b - ширина сечения балки;

h - высота сечения балки,

а при несоблюдении этого условия на балке внутри установленной основной двухветвевой шпренгельной затяжки выявляют зоны с недостаточной несущей способностью и в этих зонах дополнительно устраивают вложенные двухветвевые шпренгельные затяжки, которые тоже предварительно напрягают, при этом создают усилие, соответствующее формуле:

где F_2i - усилие в начале вложенной шпренгельной затяжки;

α_mji - относительный изгибающий момент от внешних нагрузок в i-том сечении балки;

α_muk - относительная несущая способность нормального сечения балки с учетом обжатия основной шпренгельной затяжкой;

β - угол наклона тяжей вложенной шпренгельной затяжки относительно продольной оси балки;

ζ_з - относительное расстояние от центра тяжести сечения балки до усилия во вложенной шпренгельной затяжке;

R_b - расчетное сопротивление бетона, из которого выполнена балка, осевому сжатию;

b - ширина сечения балки;

h - высота сечения балки.

При этом концы тяжей каждой вложенной шпренгельной затяжки закрепляют на железобетонной балке с помощью сжатого элемента.

Отличия от прототипа подтверждают новизну заявляемого способа.

Условия, которые обеспечивают эффективную работу шпренгельных затяжек, получены авторами в процессе исследований. В отличие от известных способов впервые использовались области относительного сопротивления по прочности и трещиностойкости. Исследования и расчеты показали, что несоблюдение условия (2) ведет к уменьшению прочности сечения балки, а увеличение напряжения в тяжах основной шпренгельной затяжки за счет повышения усилия натяжения не ведет к повышению несущей способности усиленной балки.

Проведенные исследования показали, что относительная максимальная несущая способность сжатой железобетонной балки достигается при относительном обжатии нормального сечения балки основной шпренгельной затяжкой α_н≤0,5-α_s-α^/ _s,

где - относительное обжатие нормального сечения балки основной шпренгельной затяжкой;

F_i - создаваемое усилие в начале основной шпренгельной затяжки;

α - угол наклона основной шпренгельной затяжки относительно продольной оси балки;

R_b - расчетное сопротивление бетона, из которого выполнена балка, осевому сжатию;

b - ширина сечения усиливаемой балки;

h - высота сечения усиливаемой балки, затем увеличение усилий в основной шпренгельной затяжке приводит к снижению прочности ее нормальных сечений.

Заявителю и авторам не известны способы усиления железобетонных балок, когда усилие, с которым производят натяжение шпренгельной затяжки, определяется по зависимостям (1), (2), (3) исходя из областей относительного сопротивления. В заявляемом способе предложен новый подход к решению проблемы усиления и повышения несущей способности и трещиностойкости железобетонных балок. А также определены условия эффективной работы шпренгельных затяжек.

Это позволяет судить о соответствии заявляемого способа критерию "изобретательский уровень", поскольку он явным образом не следует из уровня техники.

На фиг.1 показана железобетонная балка, усиленная шпренгельной затяжкой, выполненной по заявляемому способу. На фиг.2 показана железобетонная балка, усиленная основной шпренгельной затяжкой и вложенной. На фиг.3 показано сечение железобетонной балки, ее армирование и усиление. На фиг.4 показано сечение железобетонной балки, ее армирование и усиление в относительных величинах. На фиг.5 показана область относительного сопротивления по прочности и трещиностойкости: кривые, ограничивающие область относительного сопротивления железобетонной балки. Ломаная АБС ограничивает область работы железобетонной балки без трещин (заштрихованная), α_ms - относительный момент, воспринимаемый арматурой балки; α_mb - относительный момент, воспринимаемый бетоном балки.

Для пояснения заявляемого способа на фиг.1, 2, 3, 4 показаны некоторые обозначения, входящие в формулы (1), (2), (3), а именно:

α - угол наклона основной шпренгельной затяжки относительно продольной оси балки;

β - угол наклона тяжей вложенной шпренгельной затяжки относительно продольной оси балки;

b - ширина сечения усиливаемой балки;

h - высота сечения усиливаемой балки,

- относительное усилие, воспринимаемое растянутой арматурой балки, технический коэффициент армирования растянутой зоны балки;

- относительное усилие, воспринимаемое сжатой арматурой балки, технический коэффициент армирования сжатой зоны балки;

А_s - площадь растянутой арматуры балки;

А^/ _s - площадь сжатой арматуры балки;

ζ_s - относительное расстояние от центра тяжести балки до усилия в растянутой арматуре;

ζ^/ _s - относительное расстояние от центра тяжести балки до усилия в сжатой арматуре.

Дополнительно на фиг.3 отмечены рабочая высота сечения балки h₀ и защитные слои бетона а, а^/.

Способ осуществляют следующим образом. На торец железобетонной балки 1 (фиг.1) устанавливают анкера крайних опор 2, к которым затем на сварке прикрепляют тяжи основной шпренгельной затяжки 3. В местах перегиба затяжки 3 на нижнюю зону железобетонной балки 1 устанавливают дополнительные опоры 4. Предварительное напряжение в тяжах затяжки 3 создается путем взаимного стягивания обеих ветвей стяжными болтами 5, муфтами, домкратами или другими способами. Это натяжение осуществляется с усилием, которое рассчитывают предварительно по формуле (1). Одновременно рассчитывают усилие по формуле (2).

Если условие (2) не выполняется, то определяют несущую способность по известным методам в нескольких местах балки, и, таким, образом, выявляют зоны ослабленного сечения балки (зоны балки с прокорродировавшей арматурой, растрескавшимся бетоном) и в этих местах устраивают вложенные двухветвевые шпренгельные затяжки. На фиг.2 показана одна такая зона: на железобетонную балку 1 кроме основной шпренгельной затяжки 3 для ослабленного участка железобетонной балки устанавливают вложенную двухветвевую шпренгельную затяжку 6, закрепленную на дополнительном сжатом элементе 8. В месте перегиба вложенной шпренгельной затяжки на нижней грани балки устраивается опора 7. Предварительное натяжение в тяжах затяжек создается путем взаимного стягивания тяжей вложенной шпренгельной затяжки стяжными болтами 9, муфтами, домкратами или другими способами. Создаваемое усилие в дополнительном локальном шпренгеле должно быть не менее:

где F_2i - усилие во вложенной шпренгельной затяжке;

α_mji - относительный изгибающий момент от внешних нагрузок в i-том сечении;

α_muk - относительная несущая способность нормального сечения железобетонной балки с учетом обжатия основной шпренгельной затяжкой;

β - угол наклона тяжей вложенной шпренгельной затяжки относительно продольной оси балки;

ζ_з - относительное расстояние от центра тяжести бетонного сечения до усилия во вложенной шпренгельной затяжке.

Проведенные исследования и эксперименты показали, что использование основной шпренгельной затяжки и вложенной при соблюдении условий (1), (2), (3) позволяет значительно повысить несущую способность железобетонных балок, а также жесткость и трещиностойкость. Это наглядно видно на фиг.5 при векторном представлении внешних воздействий и областей относительного сопротивления.

Изобретение относится к области строительства, а более конкретно к усилению строительных конструкций, преимущественно железобетонных балок, и может быть использовано для поврежденных и неповрежденных балочных конструкций при увеличении на них эксплуатационных нагрузок. Технический результат состоит в повышении несущей способности, трещиностойкости железобетонных балок, усиленных двухветвевыми шпренгельными затяжками, и определении условий эффективной работы двухветвевых шпренгельных затяжек. Способ усиления заключается в том, что на балке устанавливают и закрепляют предварительно напряженную двухветвевую шпренгельную затяжку. Предварительное напряжение в шпренгельной затяжке создают стяжными болтами, муфтами и другими известными способами. Величина усилия определяется по формуле: одновременно с условием (1) должно соблюдаться условие: (2), при несоблюдении этого условия на балке внутри установленной основной двухветвевой шпренгельной затяжки выявляют зоны с недостаточной несущей способностью и в этих зонах дополнительно устраивают вложенные двухветвевые шпренгельные затяжки, которые тоже предварительно напрягают, при этом создают усилие, соответствующее формуле: (3). Концы тяжей вложенной шпренгельной затяжки закрепляют на железобетонной балке с помощью сжатого элемента. 5 ил.

Способ усиления железобетонных балок, включающий установку и закрепление на балке предварительно напряженной двухветвевой шпренгельной затяжки, отличающийся тем, что предварительное напряжение в шпренгельной затяжке создают усилием, соответствующим формуле:

где F_i - создаваемое усилие в начале шпренгельной затяжки;

- максимальный относительный изгибающий момент от внешних нагрузок в сечении железобетонной балки;

α_mui=4(α_s-α^/ _s)·(1-α_s+α^/ _s)+8α_sζ_s+8α^/ _sζ^/ _s - относительная несущая способность нормального сечения балки;

α - угол наклона тяжей шпренгельной затяжки относительно продольной оси балки;

R_b - расчетное сопротивление бетона, из которого выполнена балка, осевому сжатию;

b - ширина сечения балки;

h - высота сечения балки;

М_i - максимальный изгибающий момент от внешних нагрузок;

- относительное усилие, воспринимаемое растянутой арматурой балки, технический коэффициент армирования растянутой зоны балки;

- относительное усилие, воспринимаемое сжатой арматурой балки, технический коэффициент армирования сжатой зоны балки;

ζ_s=0,5-δ - относительное расстояние от центра тяжести балки до усилия в растянутой арматуре;

δ=а/h - относительное расстояние между центром тяжести растянутой арматуры и нижней гранью балки;

ζ^/ _s=0,5-δ₁ - относительное расстояние от центра тяжести балки до усилия в сжатой арматуре;

δ₁=а^//h - относительное расстояние между центром тяжести сжатой арматуры и верхней гранью балки;

R_s - расчетное сопротивление арматуры балки растяжению;

А_s - площадь растянутой арматуры балки;

R_sc - расчетное сопротивление арматуры балки сжатию;

А^/ _s - площадь сжатой арматуры балки,

одновременно с этим проверяют соответствие этого усилия условию

где F_i - создаваемое усилие в начале шпренгельной затяжки;

- относительное усилие, воспринимаемое растянутой арматурой балки, технический коэффициент армирования растянутой зоны балки;

- относительное усилие, воспринимаемое сжатой арматурой балки, технический коэффициент армирования сжатой зоны балки;

R_s - расчетное сопротивление арматуры балки растяжению;

А_s - площадь растянутой арматуры балки;

R_sc - расчетное сопротивление арматуры балки сжатию;

А^/ _s - площадь сжатой арматуры балки;

R_b - расчетное сопротивление бетона, из которого выполнена балка, осевому сжатию;

b - ширина сечения балки;

h - высота сечения балки,

а при несоблюдении этого условия на балке внутри установленной основной двухветвевой шпренгельной затяжки выявляют зоны с недостаточной несущей способностью и в этих зонах дополнительно устраивают вложенные двухветвевые шпренгельные затяжки, которые тоже предварительно напрягают, при этом создают усилие, соответствующее формуле

где R_2i - усилие в начале вложенной шпренгельной затяжки;

α_mji - относительный изгибающий момент от внешних нагрузок в i-том сечении балки;

α_muk - относительная несущая способность нормального сечения балки с учетом обжатия основной шпренгельной затяжкой;

β - угол наклона тяжей вложенной шпренгельной затяжки относительно продольной оси балки;

ζ_з - относительное расстояние от центра тяжести сечения балки до усилия во вложенной шпренгельной затяжке;

R_b - расчетное сопротивление бетона, из которого выполнена балка, осевому сжатию;

b - ширина сечения балки;

h - высота сечения балки,

при этом концы тяжей каждой вложенной шпренгельной затяжки закрепляют на железобетонной балке с помощью сжатого элемента.