РАЗДЕЛ 2
РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПОВ УСИЛЕНИЯ СТАТИЧЕСКИ
ОПРЕДЕЛИМЫХ ИЗГИБАЕМЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ
ЭЛЕМЕНТОВ ЛОКАЛЬНЫМ ОБЖАТИЕМ
ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ВНЕШНЕЙ АРМАТУРОЙ
2.1. Эффективность усиления изгибаемых элементов
обжатием горизонтально расположенной арматурой
В основу предлагаемого усиления положен разработанный Шагиным А.Л. способ ?113? локального обжатия железобетонных конструкций. Однако традиционное предварительное напряжение железобетонных изгибаемых элементов рабочей напрягаемой арматурой, как известно, не повышает их несущую способность. Оно повышает только их трещиностойкость и жесткость, благодаря чему представляется возможным перекрывать пролеты увеличенной длины, применять арматуру высокой прочности, снижать материалоемкость конструкций.
В отличие от указанного традиционного, предварительное напряжение дополнительной внешней арматурой не только повышает трещиностойкость и жесткость конструкций, но и увеличивает их прочность за счет использования силовых возможностей дополнительной арматуры. Именно поэтому его целесообразно применять для усиления эксплуатируемых балок на объектах различного функционального назначения при их реконструкции либо восстановлении.
В указанных случаях не всегда представляется возможным осуществлять предварительное напряжение в пределах всей длины конструкции, так как концы балок заделаны в стены. При данных обстоятельствах целесообразно создавать обжатие на части длины (локальное обжатие) на том участке, где действуют существенные изгибающие моменты, которые не могут быть полностью восприняты существующими сечениями.
Конструктивно-технологическая реализация предлагаемого принципа усиления железобетонных балок их локальным предварительным напряжением дополнительной внешней арматурой стала возможной только в последние годы, когда появились высокоэффективные инструменты, позволяющие сверлить в бетоне отверстия глубиной более 500 мм, диаметром более 20 мм. Указанная глубина сверления обеспечивает возможность устройства сквозных отверстий в любых эксплуатируемых железобетонных балках, так как ширина их обычно не превышает 400-500 мм. Однако при назначении мест сверления необходимо учитывать расположение арматуры в усиливаемой балке, особенно нижней продольной рабочей арматуры.
Шаг поперечных стержней в балках имеет достаточно большую величину, поэтому рациональное размещение отверстий по длине балки не представляет трудности.
Схема локального предварительного обжатия изгибаемого статически определимого элемента представлена на рис. 2.1. Дополнительная напрягаемая арматура приваривается к накладным стальным элементам в виде пластин, закрепленных с помощью анкеров к балке. Балка усиливается двумя дополнительными стержнями, расположенными с двух ее сторон.
Указанные накладные пластины крепятся к балке с помощью шпилек, пропущенных через просверленные в балке и пластинах сквозные отверстия. Диаметр и количество шпилек подбирается расчетом на срез и смятие бетона под шпильками. В целях уменьшения объема работ по сверлению отверстий, некоторые из общего количества шпилек могут выполняться односторонними, т.е. заходить в бетон балки с одной стороны на глубину примерно 100 мм, достаточную для восприятия сдвига. В любом случае количество сквозных шпилек должно быть не менее четырех.
Обжатие создается одновременным оттягиванием двух или более стержней вниз до заданной расчетной величины стрелки оттягивания fsp и фиксацией их оттянутого положения с помощью упоров. Для установки упоров в нижней зоне балки сверлятся соответствующие сквозные отверстия. Расстояние по вертикали между точками крепления концов напрягаемых внешних арматурных стержней и отверстием для пропуска упоров представляет собой стрелу оттягивания fsp.
После фиксации оттянутого положения напрягаемой арматуры оттягивающая нагрузка Fsp постепенно снимается и накопленная арматурой при оттягивании энергия обеспечивает передачу на балку воздействия такой же по величине силы Fsp, но в противоположном направлении - вверх.
Наиболее удобно оттягивание производить приложением сосредоточенной силы Fsp в середине длины обжимаемого участка lsp. При данной схеме натяжения соотношение между величиной оттягивающей силы Fsp и значением создаваемого ею усилия натяжения Nsp по аналогии с (1.16) может быть записано в виде
(2.1)
где Esp и Asp - соответственно модуль деформаций и площадь поперечного сечения дополнительной напрягаемой арматуры.
Вследствие оттягивания возникает обжатие участка lsp усилием Hsp, которое при малых углах оттягивания в инженерных расчетах принимается
Так как , выражение (2.1) может быть представлено в виде
(2.2)
Здесь ?sp - величина напряжения в арматуре при осуществлении с ее помощью локального обжатия конструкции.
Величина назначаемого напряжения ?sp зависит от уровня нагруженности балки временной нагрузкой, соотношения между значениями постоянной и временной нагрузок. Если временная нагрузка значительно превосходит постоянную, то высокий уровень предварительного напряжения может при отсутствии временной нагрузки привести к выгибу, который вызовет появление трещин в сжатой (при эксплуатации) зоне. Поэтому значения напряжения в арматуре целесообразно назначать
?sp = (0,4...0,6)Rsn,
где Rsn - нормативное сопротивление дополнительной напрягаемой арматуры.
Остающийся в арматуре резерв будет использован при приложении временной нагрузки, когда арматура начнет работать по схеме шпренгельного подкрепления, на что и ориентирован предлагаемый принцип усиления. Его эффект достигается в два этапа. На первом этапе за счет выгиба уменьшается