9.2. Усиление конструкций

Цель усиления конструкций - поддержать их эксплуатационную надежность или обеспечить несущую способность и нормальную эксплуатацию в новых условиях, вызванных реконструкцией. В некоторых случаях вы этого можете добиться не производя усиления, путем снижения действующих нагрузок (замены железобетонных плит покрытия профилированным настилом, ограничения сближения кранов, замены мостовых кранов напольным транспортом и т.д.). Техническое решение по усилению конструкций принимают на основании сравнения вариантов. Наиболее важным фактором, влияющим на выбор варианта усиления в условиях действующего производства, является проведение работ по усилению без остановки технологического процесса или с минимальной остановкой. Конструкции можно усиливать под нагрузкой или с предварительной разгрузкой. Естественно, что менее трудоемко усиление конструкций под нагрузкой. В этом случае важно обеспечить несущую способность конструкций в процессе проведения работ по усилению. Исследования показывают, что усиление под нагрузкой возможно, если напряжение в элементе или соединении не превышает 0,8R_y. В большинстве случаев можно производить усиление не разгружая конструкции от постоянных нагрузок, так как доля временных нагрузок обычно больше 20 %.

Применяемые способы усиления конструкции можно разделить на две группы: увеличением сечения элементов (или площади сечения сварных швов в соединении); изменением конструктивной схемы или схемы приложения нагрузок. Возможно применение способов усиления, сочетающих обе эти группы.

9.2.1. Особенности расчета элементов и соединений, усиленных под нагрузкой

Работа элементов, усиленных с полной предварительной разгрузкой, не отличается от работы новых элементов, поэтому не отличается и их расчет. Особенность работы элементов, усиленных способом увеличения сечений под нагрузкой, заключается в том, что часть сечения находится в напряженном состоянии, воспринимая нагрузки, действующие до усиления.

443

Рис. 9.6. Работа растянутого стержня, усиленного под нагрузкой увеличением сечения:
I-III - эпюры напряжений в сечении на разных стадиях работы (элементы усиления показаны жирной линией)

Усиленный элемент воспринимает нагрузки, действующие после усиления. Соединение сохраняемого элемента с элементами усиления должно обеспечивать его работу как единого целого. Если расчетные сопротивления материала существующей конструкции и усиления значительно отличаются, расчет производят как бистального элемента. Допускается принимать одно расчетное сопротивление, равное меньшему из них, если они отличаются не более чем на 15 %.

Расчет на прочность растянутых, сжатых и изгибаемых элементов в зависимости от свойств стали и условий эксплуатации производят в упругой или упруго пластической стадии. Пластические деформации раньше появляются в существовавшей до усиления части сечения. Работа растянутого стержня, усиленного под нагрузкой, представлена на рис. 9.6. На эпюре I показаны напряжения в элементе от нагрузок, приложенных до усиления. Упругой стадии работы усиленного сечения соответствует эпюра II, и для этого случая (напряжения в существующем металле достигли предела текучести) проверку прочности производят по формуле

где N₁ и N₂ - усилия, приложенные к стержню соответственно до и после усиления; А_o и А_ус - площади сечения соответственно существующего элемента и элементов усиления; R_y - расчетное сопротивление стали существующего элемента.

Прочность металла усиления в этом случае используется не полностью, и применение для усиления сталей повышенной прочности нерационально.

444

Упругопластической стадии работы соответствует эпюра III, и проверку прочности производят по формуле:

где R_y - меньшее из двух расчетных сопротивлений: металла существующего элемента или элементов усиления (если они отличаются не более чем на 15 %).

На рис. 9.7 приведены эпюры напряжений, характеризующие работу изгибаемого элемента, усиленного под нагрузкой:

I - до приложения нагрузки после усиления; напряжения в элементах усиления равны нулю; II - к усиленной балке приложена нагрузка; напряжения в сечении существующей балки достигли σ_у (предельное состояние для упругой стадии работы); III - нагрузка возрастает; напряжения в элементах усиления достигают предела текучести; IV - пластические деформации пронизывают все сечение; образуется "пластический шарнир".

В соответствии с эпюрой II расчет в упругой стадии производят по формуле:

где M₁ и M₂ - изгибающие моменты, действующие соответственно до и после усиления; J₀ и J_yc - моменты инерции поперечного сечения существующей балки и элементов усиления соответственно; у₀ и у - расстояние от центра тяжести сечения балки до наиболее напряженной точки существующей

Рис. 9.7. Работа балки, усиленной под нагрузкой увеличением сечения:
а - эпюры напряжений в сечении на разных стадиях работы; б - эпюра, принятая для расчетов

445

части сечения соответственно до и после усиления (для балки с симметричным усилением у₀ = у).

Упругопластической стадии работы соответствует эпюра III; в существующей части сечения балки развиваются пластические деформации. Проверку прочности несколько в запас можно выполнить в соответствии с эпюрой рис. 9.7, б по формуле:

где у_ус - расстояние от центра тяжести сечения усиленной балки до наиболее напряженной точки элемента усиления; R_y - меньшее из двух расчетных сопротивлений существующей балки и усиления.

Таким образом, формально расчет производят как бы в упругой стадии, а по существу, предполагают некоторое развитие пластических деформаций, не допуская образования пластического шарнира.

Так как в стенке балки появляются пластические деформации, то в ее средней четверти в местах, передающих сосредоточенные нагрузки, следует установить ребра жесткости, а проверку местной устойчивости в этой зоне проводить с учетом коэффициента условии работы γ_с = 0,8.

Если расчетные сопротивления существующих элементов усиления отличаются более чем на 15 %, расчет конструкций, усиленных способом увеличения сечения, следует выполнять с учетом разных расчетных сопротивлений (как бистальных элементов).

При проверке устойчивости сжатых стержней, усиленных под нагрузкой способом увеличения сечений, считают, что сварные швы (болты), связывающие элементы усиления с существующим стержнем, обеспечивают их совместную работу как единого целого. Работа сжатых стержней, усиленных под нагрузкой, отличается от работы стержней, нагружаемых с нуля. Эти отличия заключаются в более раннем появлении пластических деформаций в сечении усиленного стержня, увеличении эксцентриситета из-за большей деформативности стержня до усиления и влияния остаточных сварочных деформаций, возникающих после приварки элементов усиления. В результате критические напряжения стержня, усиленного под нагрузкой, оказываются ниже критических напряжений стержней, нагружаемых с нуля. Неблагоприятное влияние этих факторов можно учесть коэффициентом условий работы γ_с = 0,8 и проверку устойчивости в плоскости действия момента произвести по формуле:

где φ_е - коэффициент, принимаемый по табл. П7.1[1]; R_y - расчетное сопротивление, равное меньшему значению расчетного сопротивления сохраняемого элемента усиления, если они отличаются не более чем на 15 % (в противном случае вам следует обратиться к п.20.16^*[7]).

446

Рис. 9.8. К определению расчетного эксцентриситета е:
1 - элемент усиления

Для определения коэффициента φ_е необходимо знать расчетный эксцентриситет е = e_o - e_yc, где е_o - начальный эксцентриситет сжатого стержня (для искривленного стержня определяемый по п.9.1.5, для сжато- изгибаемого стержня е_o = M/N, где М и N соответственно расчетные значения изгибающего момента и продольной сжимающей силы; е_yc - эксцентриситет, вызванный несимметричным усилением стержня (рис. 9.8.). Эксцентриситеты е_o и е_ус принимают со своими знаками.

В частном случае, когда е_o = 0, а усиление центрально-сжатого стержня выполнено без смещения центра тяжести (е_ус = 0), проверку устойчивости усиленного стержня выполняют по формуле (9.11) с заменой коэффициента φ_е коэффициентом φ продольного изгиба, определяемым по приложению 6 [1].

Рис. 9.9. Усиление сварных соединений

447

Рис. 9.10. Зависимость длины участка шва D, выключающегося из работы, от толщины свариваемого материала t и катета шва k_f

Усиление сварных соединений производят увеличением длины или толщины сварных швов (рис. 9.9). На период выполнения усиления должна быть обеспечена прочность существующих швов на действующие усилия. При увеличении толщины швов (наплавки дополнительных слоев) часть шва расплавляется или переходит в пластическое состояние. Поэтому усиление швов наплавкой дополнительных слоев допускается выполнять под нагрузкой, при которой действующее на шов усилие не превышает значения

где D - длина участка шва, выключающаяся из работы (зависит от толщины свариваемых элементов (t), существующего катета шва (k_f) и принимается по графику на рис. 9.10); β_f = 0,7 - коэффициент, принимаемый как для ручной сварки.

Проверку несущей способности угловых швов, усиленных наплавкой дополнительных слоев, можно выполнять по формулам п.4.2.3 [1]. При этом особенности работы швов, усиленных под нагрузкой, рекомендуется учесть коэффициентом условия работы γ'_с = 0,9. За расчетное сопротивление сварного шва, усиленного наплавкой дополнительного слоя, следует принять расчетное сопротивление шва, подлежащего усилению.

Усилия в элементах конструкций, усиленных способом изменения конструктивной схемы, определяют в две или три стадии. На первой стадии усилия в элементах находят в соответствии с существующей расчетной схемой от нагрузок, приложенных до усиления, на второй - вычисляют усилия в стержнях по новой расчетной схеме на нагрузки, приложенные после усиления. В случае применения элементов усиления с предварительным напряжением дополнительно определяют усилия в существующей конструкции от предварительного напряжения. Расчетные усилия (напряжения) в элементах находят суммированием усилий (напряжений), определенных на всех стадиях работы конструкции.

448