Усиление колонн

Одним из наиболее эффективных способов усиления железобетонных колонн является устройство железобетонных или металлических обойм. Усиление обоймами особенно рационально для колонн с небольшой гибкостью (λ ≤ 14). В изгибаемых элементах обоймы рекомендуются в исключительных случаях (например, при значительной коррозии арматуры), так как усиление по всему периметру изгибаемого элемента нерационально с конструктивной точки зрения и требует значительных трудозатрат при производстве работ.

Наиболее простым типом железобетонных обойм являются обоймы с обычной продольной и поперечной арматурой без связи арматуры обоймы с арматурой усиливаемой колонны (рис. 10.38). При таком способе усиления важно обеспечить совместную работу «старого» и «нового» бетона, что достигается тщательной очисткой поверхности бетона усиливаемой конструкции пескоструйным аппаратом, насечкой или обработкой металлическими щетками, а также промывкой под давлением непосредственно перед бетонированием. Для улучшения адгезии и защиты бетона и арматуры в агрессивных условиях эксплуатации рекомендуется применение полимербетонов.

Рис. 10.38. Усиление колонны железобетонной обоймой:

1 — усиливаемая колонна; 2 — обойма; 3 — продольная арматура обоймы; 4 — поперечная арматура обоймы; 5 — жесткая продольная обойма; 6 — опорные уголки

Толщина обоймы колонн определяется расчетом и конструктивными требованиями (диаметром продольной и поперечной арматуры, величиной защитного слоя и т.п.). Как правило, она не превышает 300 мм. Площадь рабочей продольной арматуры также определяют расчетом, ее диаметр принимают не менее 16 мм для стержней, работающих на сжатие, и 12 мм для стержней, работающих на растяжение. Поперечную арматуру диаметром не менее 6 мм для вязаных каркасов и 8 мм для сварных устанавливают с шагом 15 диаметров продольной арматуры и не более трехкратной толщины обоймы, но не более 200 мм. В местах концентрации напряжений шаг хомутов уменьшается.

При местном усилении обойму продлевают за пределы поврежденного участка на длину не менее пяти ее толщин и не менее длины анкеровки арматуры, а также не менее двух ширин большей грани колонны, но не менее 400 мм. При местном усилении для улучшения сцепления «нового» и «старого» бетона рекомендуется выполнять адгезионную обмазку из полимерных материалов.

Поперечная арматура железобетонной обоймы может быть выполнена в виде спиральной обмотки (рис. 10.39) из проволоки диаметром не менее 6 мм. При этом спирали в плане должны быть круглыми и охватывать всю рабочую продольную арматуру. Расстояние между ветвями спирали должно быть не менее 40 мм и не более 100 мм, оно не должно также превышать 0,2 диаметра сечения ядра обоймы, охваченного спиралью. Более эффективны (но и более трудоемки) железобетонные обоймы, в которых обеспечивается связь существующей и дополнительной арматуры. Такие обоймы рекомендуются при сильном повреждении существующей арматуры или защитного слоя бетона. В этом случае арматуру усиливаемой конструкции тщательно очищают до чистого металла, разрушенные хомуты восстанавливают путем пробивки в бетоне поперечных борозд, установки в них новых хомутов и соединения их с продольной арматурой.

Рис. 10.39. Усиление колонны обоймой со спиральной арматурой:

1 — усиливаемая колонна; 2— обойма; 3— спиральная арматура

Рис. 10.40. Усиление колонны металлическими обоймами:

1 — усиливаемая колонна; 2 — ветви обоймы; 3 — планки обоймы; 4 — опорный уголок

Дополнительную продольную арматуру приваривают у шествующей с помощью соединительных коротышей, которые во избежание пережогов выполняют из арматуры класса A-I диаметром 10... 16 мм и располагают на расстоянии друг от друга не менее 20 диаметров продольной арматуры в шахматном порядке.

При невозможности выполнения замкнутой обоймы, например при примыкании колонны к стене, рекомендуется устройство «рубашек» — незамкнутых с одной стороны обетонок. При этом способе усиления необходимо обеспечить надежную анкеровку поперечной арматуры по концам поперечного сечения «рубашек». В колоннах это осуществляется путем приварки хомутов к арматуре колонн.

При усилении «рубашками» локальных поврежденных участков, как и при усилении обоймами, их необходимо продлить на неповрежденные части конструкции на длину не менее 500 мм, а также не менее длины анкеровки продольной арматуры, не менее ширины грани элемента или его диаметра и не менее пяти толщин стенки «рубашки».

По конструктивным соображениям диаметр продольной и поперечной арматуры «рубашек» принимают не менее 8 мм, при вязаных каркасах минимальный диаметр хомутов - 6 мм.

При невозможности увеличения сечения колонн и сжатых сроках производства работ по усилению рекомендуются металлические обоймы из уголков, устанавливаемых по граням колонн, и соединительных планок между ними (рис. 10.40). Эффективность включения металлической обоймы в работу колонны зависит от плотности прилегания уголков к телу колонны и от предварительного напряжения поперечных планок.

Для плотного прилегания уголков поверхность бетона по граням колонн тщательно выравнивается скалыванием неровностей и зачеканкой цементным раствором. Предварительное напряжение соединительных планок осуществляется термическим способом. Для этого планки приваривают одной стороной к уголкам обоймы, затем разогревают газовой горелкой до 100...120°С и в разогретом состоянии приваривают второй конец планок. Замыкание планок осуществляют симметрично от среднего по высоте колонны пояса. При остывании планок происходит обжатие поперечных сечений колонны, что существенно повышает ее несущую способность.

Эффективным средством усиления нагруженных колонн является устройство предварительно напряженных металлических распорок. Одно- или двусторонние распорки представляют собой металлические обоймы с предварительно напряженными стойками, расположенными с одной или двух сторон колонн (рис. 10.41). Первые применяют для увеличения несущей способности внецентренно сжатых колонн с большими и малыми эксцентриситетами, вторые — для центрально и внецентренно сжатых колонн с двузначной эпюрой моментов.

Предварительно напряженные односторонние распорки состоят из двух уголков, соединенных между собой металлическими планками. В верхней и нижней зонах распорок приваривают специальные планки толщиной не менее 15 мм, которые передают нагрузку на упорные уголки иимеют площадь поперечного сечения, равную сечению распорок.

Рис. 10.41. Усиление колонны предварительно напряженными двусторонними металлическими распорками:

а — в период монтажа; б — в напряженном состоянии; 1 — крепежный монтажный болт; 2 — натяжной монтажный болт; 3 — усиливаемая колонна; 4 — уголки распорок; 5 — упорные уголки; 6 — планка для натяжения болтов в месте перегиба; 7 — планки-упоры; 8 — соединительные планки

Планки устанавливают таким образом, чтобы они выступали за торцы уголков распорок на 100...120 мм, и снабжают двумя отверстиями для стяжных болтов.

Упорные уголки должны быть установлены таким образом, чтобы их внутренние грани совпадали с наружной гранью колонн. Для этого защитный слой бетона в верхней и нижнейзонах колонны скалывают и устанавливают упорные уголки на цементном растворе строго горизонтально.

До установки распорок в проектное положение в боковых полках уголков в середине их высоты выполняется вырез и осуществляется их незначительный перегиб.

Ослабление поперечного сечения уголков в месте выреза компенсируется приваркой дополнительных планок, в которых предусмотрены отверстия для стяжных болтов.

Предварительное напряжение распорок создается путем придания им вертикального положения за счет закручивания гаек натяжных болтов. При этом необходимо обеспечить плотное прилегание уголков к телу колонны, а также их совместную работу, объединив распорки с помощью приварки к ним металлических планок. Шаг планок принимают равным минимальному размеру сечения колонны. После приварки планок стяжные монтажные болты снимают, а ослабленные сечения распорок усиливают дополнительными металлическими накладками.

Для эффективного включения распорок в работу достаточно создать в них предварительное напряжение порядка 40...70 МПа, что обеспечивается за счет расчетного удлинения при выпрямлении уголков.

При увеличении нагрузки на консоли колонн их усиливают предварительно напряженными горизонтальными или наклонными тяжами (рис. 10.42).

Рис. 10.42. Усиления консолей предварительно напряженными тяжами:

1 — усиливаемая консоль; 2 — опорные элементы; 3 — упоры из уголков; 4 — предварительно напряженные тяжи;5 — анкеры; 6 — упоры из швеллеров

Предварительное напряжение создается завинчиванием гаек или взаимным стягиванием хомутов. Применяют также разгрузку консолей с помощью дополнительных металлических кронштейнов (рис. 10.43) или специальных опор в виде швеллеров (уголков), которые крепят к колонне с помощью предварительно напряженных тяжей (σ_sp = 40...50 МПа).

10.43. Усиление опирания балок: а — при короткой консоли; б — при длинной консоли; 1 — хомут вокруг колонны; 2 — колонна; 3 — тяжи; 4 — подклинка; 5 — подставка из отрезка двутавра; 6 — подвесная балка из швелле-рор; 7 —гайка тяжей; 8 — упорный уголок; 9 — ригель; 10 — уголковая поперечная подпорка; 11 — горизонтальные упоры из уголков; 12 — вертикальные крепежные болты

Железобетонные сжатые элементы, усиленные обоймами, «рубашками» и наращиванием рассчитывают как монолитные. При этом учет влияния продольного изгиба на несущую способность рекомендуется осуществлять путем расчета конструкции по деформированной схеме.

Допускается также производить расчет по недеформированной схеме, в этом случае при гибкости l₀ / i > 14 влияние прогиба на прочность учитывается путем умножения на коэффициент η по СНиП 2.03.01—84.

Расчетные характеристики бетона и арматуры принимаются с учетом коэффициентов условия работы бетона и арматуры γ_biи γ_siпо СНиП 2.03.01—84 и дополнительных коэффициентов условия работы γ_bziи γ_szi, учитывающих специфические условия работы усиленных элементов.

Изложенная ниже методика расчета правомочна в том случае, если элементы усиления плотно примыкают к опорным частям конструкций и обеспечена анкеровка арматуры в бетоне согласно требованиям СНиП 2.03.01—84.

Расчет сжатых элементов с двойной арматурой

при прямоугольной форме сечения

ограничивающей сжатую зону и проходящей через центр тяжести сечения растянутого стержня, наиболее удаленного от указанной прямой, а при отсутствии растянутой зоны — через центр тяжести наименее сжатого стержня; A_s,red и А'_s,red определяют по формулам (10.4)

Рис. 10.44. Схема усилий и эпюра напряжений в сечении, нормальном к продольной оси внецентренно сжатого элемента, усиленного двусторонним наращиванием, при расчете его на прочность (ξ < ξ_R)

при ξ > ξ_r расчет прочности осуществляют также по формуле (10.46), а высоту сжатой зоны находят по формуле

Для элементов из бетона класса В30 и ниже с не-напрягаемой арматурой классов A-I, A-II, A-III

Для конструкций из бетона класса выше ВЗО, а также для элементов с арматурой класса выше A-III (напряженной и ненапряженной) величину х определяют из выражения

где

ω = α — βR_b. Значения коэффициентов α, β, а также величины σ_sc,u и σ_spi определяют по СНиП 2.03.01—84.

При σ_s > βR_s напряжение в арматуре определяют по формуле

Если найденное по (10.52) σ_si превышает R_si без учета коэффициента γ_s6. в формуле (10.48) следует подставить значение σ_s, равное R_si. Значения ξ_ebi и ξ_i определяют по СНиП 2.03.01—84.

Площадь дополнительной растянутой арматуры при ξ < ξ_R определяют по формуле (10.11), где

Площадь дополнительной арматуры усиления при ξ > ξ_R также определяют по формуле (10.14), где

При усилении железобетонных конструкций обоймой с косвенным армированием их расчет производят по СНиП 2.03.01—84 с учетом коэффициентов условия работы по табл. 10.4.

Пример расчета внецентренно сжатого сечения. Дано; размеры сечения усиленного элемента b = 0,6 м; h = 0,8 м; бетон усиливаемого элемента класса В15 (R_b — 8,5 МПа); высота наращивания Х₂ = 0,1 м; бетон усиления класса В20 (R_b,ad = 11,5 МПа); h_o = 0,66 м; h_0,ad = 0,76 м; а = а' = 0,04 м; арматура усиливаемого элемента вида А-II R_s = R_sc = 280 МПа (4Ø18, A_s = A'_s = 1018 мм²); арматура усиливающего элемента вида A-III R_s,ad = R_sc,ad = 365 MПа; A_s,ad = 1256 мм² (4Ø20), A'_s,ad = 942 мм² (3Ø20).

Внецентренная нагрузка на элемент N = 1000 кН; е = 0,8 м (см. рис. 10.44).

Усиление железобетонного элемента осуществлялось при первоначальном загружении усиливаемого элемента, превышающем 65 % от разрушающей нагрузки, следовательно, коэффициент условий работы усиленной конструкции γ_br1 = γ_sr1 = 0,8.

Расчет. Определяем A_s,_red, A'_s,red и а_red:

Таким образом, несущая способность усиленного элемента достаточна.

Особенности расчета колонн, усиленных

металлическими элементами

Совместная работа железобетонного элемента и металлической обоймы учитывается при условии упора ветвей обоймы в перекрытия и в случае их приварки к опорным закладным деталям. Расчет металлической обоймы выполняют как самостоятельной системы по СНиП Н-23—81, при этом гибкость продольных элементов принимают с учетом их упора в усиливаемый железобетонный элемент в местах расположения поперечных планок.

При отсутствии контакта между железобетонным элементом и металлической обоймой расчет последней осуществляют как стальной колонны в соответствии со СНиП 11-23—81.

Предварительно напряженные распорки (см. рис. 10.41) разгружают существующую колонну на величину созданного в них усилия сжатия. Расчет предварительно напряженных распорок осуществляется также по СНиП П-23—81, при этом гибкость ветвей определяется по расчетной длине от места перегиба до упора в бетон. Если в момент усиления на колонну действует полная нагрузка, усилие в распорке равно σ_spА_сd, где А_cb — площадь поперечного сечения распорок. После передачи усилия обжатия распорки рассчитывают по полному поперечному сечению, так как ослабленные места усиливаются накладками.

В центрально сжатых колоннах распорки рассматривают как дополнительную арматуру со своим расчетным сопротивлением.

Во внецентренно сжатых колоннах устанавливать распорки в растянутой зоне не рекомендуется, а при установке их по конструктивным соображениям они не учитываются в расчетах.