Для усиления ствола железобетонной колонны существует большой арсенал методов, среди которых наибольшее распространение получили следующие: железобетонные обоймы; одностороннее и двухстороннее наращивание сечения; металлические обоймы ненапряженные
87
и с предварительным напряжением хомутов; предварительно напряженные металлические распорки.
Усиление железобетонной обоймой (рис. 3.8, а) считается наиболее простым и надежным способом увеличения несущей способности колонны.
Обойма состоит из продольной арматуры, замкнутых хомутов, бетонного слоя, охватывающего сечение колонны.
Перед усилением поверхность колонны подготавливается следующим образом: удаляется штукатурный слой; зубилом делается насечка в бетоне на глубине 3 - 6 мм; промывается за час до бетонирования поверхность старого бетона чистой водой.
Железобетонная обойма обычно имеет толщину 6 - 12 см. Сечение и количество продольной арматуры определяется расчетом при условии обеспечения совместной работы обоймы с колонной. Поперечная арматура принимается диаметром не менее 6 мм и устанавливается с шагом S, удовлетворяющим требованиям:
15d ≥ S ≥ 3δ; S ≤ 200 мм,
где d - диаметр продольной арматуры;
δ - толщина обоймы.
Усиление колонн односторонним наращиванием сечения (рис. 3.8, б) обычно применяется во внецентренно сжатых колоннах для уменьшения начального эксцентриситета приложения внешней нагрузки и увеличения прочности колонн. Важным условием надежности усиления является обеспечение совместной работы нового бетона со старым. Для этого предусматриваются те же мероприятия, что и при усилении железобетонными обоймами, и, кроме того, новая продольная арматура соединяется на сварке со старой с помощью стальных коротышей ø10 - 30 мм, устанавливаемых с шагом 500 - 800 мм. В связи с большой трудоемкостью усиления одностороннее наращивание применяется редко.
Усиление колонн стальной обоймой (рис. 3.8, в), довольно простое в исполнении, незначительно увеличивает размер поперечного сечения и позволяет использовать колонну в эксплуатационном режиме сразу же после ее усиления Продольные элементы обоймы из уголковой стали устанавливаются на цементно-песчаном растворе и прижимаются к колонне с помощью струбцин, после чего к уголкам привариваются поперечные планки, устанавливаемые по длине колонны с шагом 400 - 600 мм.
88
В предварительно напряженных обоймах поперечные планки нагреваются до температуры 100 - 120°С, а затем уже привариваются к продольным элементам. При остывании планки укорачиваются и создают эффект преднапряжения.
Усиление колонн стальными распорками (рис. 3.8, г) является достаточно эффективным средством увеличения их несущей способности, которая повышается пропорционально площади поперечного сечения распорок.
Распорки состоят из двух уголков (швеллеров), связанных между собой соединительными планками.
Вверху и внизу каждой распорки крепятся опорные уголки, через которые усилие распора передается на консоли. Как видно из рис. 3.8, г, распорки с перегибом устанавливаются в середине их высоты. Для создания предварительного напряжения сжатия распорки с помощью натяжных болтов выпрямляются, принимая вертикальное положение. При этом распорки надежно включаются в совместную работу с колонной, частично разгружая ее. Величина сжимающих напряжений в распорках в период их включения в работу по данным [5] достигает 60 - 80 МПа.
Усиление колонн предварительно напряженными распорками целесообразно при длине распорок не более 5 м, когда не требуется большого расхода металла для обеспечения их устойчивости. Пример расчета распорок представлен в [5].
Пример 3.7. Усилить ствол колонны с помощью железобетонной обоймы.
Исходные данные:
- колонна сечением b × h = 0,3 × 0,3 м из бетона класса В15; Rb = 8,5 МПа;
- рабочая продольная арматура 4ø12АII; Аs' = 4,52 см2; Rsс = 280 МПа;
- высота этажа H3 = 3,6 м.
- Эксцентриситет приложения нагрузки e0 = 0.
- Нагрузка длительно-действующая N = Nd = 1200 кН.
- Задаемся толщиной обоймы δ = 0,06 м, тогда суммарные размеры сечения (рис. 3.9)
b1 = h1 = b + 2δ = 0,3 + 2 · 0,006 = 0,42 м.
89
Рис. 3.8. Способы усиления колонн:
а - железобетонная обойма; б - одностороннее наращивание; в - металлическая обойма; г - металлические распорки
90
Ориентировочно назначаем площадь сечения продольной арматуры обоймы, пользуясь выражением
As1 = 0,009(h1 · b1 - h · b) = 0,009(0,42 · 0,42 - 0,3 · 0,3) = 7,8 · 10-4 м2 = 7,8 см2.
Принимаем 6ø14AII (Аs1' = 7,69 см2)
Определяем несущую способность колонны до ее усиления.
Рис. 3.9. Расчетная схема колонны
Так как
| l0 |
= |
3,6 |
= 12 < 20 при e0 = 0, |
| h |
0,3 |
колонну рассчитываем как центрально-сжатую из условия
N ≤ φ(RbA + RscАs');
φ = φb + 2(φsb - φb)αs .
| αs = |
RscАs' |
= |
280 · 4,52 · 10-4 |
= 0,165 |
| RbA |
8,5 · 0,3 · 0,3 |
91
Согласно [6, табл. 25 и 27]
φb = 0,86; φsb = 0,89; тогда
φ = 0,86 + 2(0,89 - 0,86)0,165 = 0,97.
N > 0,87(8,5 · 103 · 0,09 + 280 · 103 · 4,52 · 10-4) = 776 кН,
1200 > 776 кН.
Следовательно, несущая способность колонны недостаточна. Вычисляем прочность колонны после ее усиления обоймой:
| αs = |
Rsc(Аs' + Аs1') |
= |
280(4,52 + 7,69) · 10-4 |
= 0,23; |
| Rb · A |
8,5 · 0,42 · 0,42 |
| l0 |
= |
3,6 |
= 8,57; φb = 0,905; φsb = 0,905; |
| h1 |
0,42 |
φ = 0,905 + 2(0,905 - 0,905)0,23 = 0,905;
N < 0,905 · 8,5 · 103 · 0,42 · 0,42 + 280 · 103 · (4,52 + 7,69) · 104 = 1667 кН;
1200 < 1667 кН.
Несущая способность усиленной колонны обеспечена. Эффективность усиления по нагрузке составляет
1667 - 776 = 891 кН.
Выбор метода усиления консоли колонны, как правило, зависит от ее формы и характера действующих усилий. Так, при больших изгибающих моментах эффективной оказывается горизонтальная затяжка (табл. 3.7, п. 1) из тяжей, натягиваемых гайками до напряжений 60 - 90 МПа. При больших значениях поперечной силы и сжимающих напряжений в наклонной сжатой полосе целесообразно усиление преднапряженной наклонной затяжкой (табл. 3.7, п. 2) или металлическим столиком (табл. 3.7, п. 3), приваренным к продольной арматуре колонны.
Площадь сечения ветвей горизонтальной затяжки определяется по формуле
As13 = l,25(M1 - M)/Rsnh01 · 0,9,
где M1, M - соответственно изгибающие моменты, воспринимаемые консолью после и до усиления;
h01 - полезная высота сечения консоли, усиленной затяжкой.
92
Площадь сечения ветвей наклонной затяжки можно определить из условия [6, (207)].
Таблица 3.7
Усиление консолей колонн
№
п/п |
Способ усиления.
Эскиз усиления |
Элементы усиления |
№
поз. |
Общие сведения |
| 1 |
Горизонтальной затяжкой
 |
1 |
Составная балка 2[12...18 |
| 2 |
Затяжка
ø16...25 |
| 3 |
Гайка
М16...М25 |
| 2 |
Наклонной затяжкой
 |
1 |
Обвязка
└50...100 |
| 2 |
Затяжка
ø12...18 |
| 3 |
Планки
b = 40...60
δ = 4...6 |
| 3 |
Металлическим столиком
 |
1 |
Стальные пластины
δ = 8...16 |
| 2 |
Опорная деталь
└75...100 |
93
