МК_Справочник_том_1

Операция смещения уровня опор осуществляется несколькими способами:

∙созданием разности в отметках опорных площадок колонн, установкой балок или ферм, замером фактических зазоров между опорной площадкой колонны и опорной плитой (торцом опорного ребра) балки или фермы, установкой прокладки необходимой толщины так, чтобы в чистоте остался расчетный зазор, закрытием зазора, закручиванием гаек на анкерных болтах. Связь между рас- четным смещением ( ps) и замеренным зазором (δ) вычисляется по формуле

ps =δ + ñâ t,

ãäå ñâ - расчетный прогиб от собственного веса конструкции на опоре, где производится смещение; t - толщина прокладки;

∙то же, но смещением под действием собственного веса элементов или плит, опирающихся на неразрезную конструкцию;

∙при попролетном монтаже установкой прокладки с толщиной, равной расчет-

ному смещению ps , после создания неразрезности отрыв конструкции на 1- 2 мм, чтобы вытащить прокладку. Для ферм опускание, кроме крана, можно осуществить другими способами (рис.13.30);

à– раздвижные клинья; á – прокладки, овальные дыры; â – прокладки, натяжные болты

∙подъемом конструкции с помощью домкратов и установкой прокладок с толщиной, равной расчетному смещению ps .

Неразрезные конструкции с регулированием напряжений обеспечивают экономию металла по сравнению с разрезными из металлов той же прочности до 12- 25 %, в том числе вследствие неразрезности около 2/3-3/4 и остальное - в результате регулирования напряжений. Трудоемкость осуществления регулирования напряжений составляет всего 1-5 % общих трудозатрат на монтаже и является минимальной по сравнению со всеми другими методами регулирования напряжений.

Неразрезные конструкции с регулированием, рассчитанные с учетом неравномерной осадки оснований, рекомендуется применять в том случае, если экономия металла составляет по сравнению с разрезными не менее 8-10 %, а затраты на укрепление оснований и фундаменты не превышают аналогичных затрат при разрезных конструкциях.

Неразрезные двухпролетные балки со смещением уровня опор рекомендуется применять в качестве: подкрановых при пролетах 6-12 м при кранах грузоподъемностью 30 т и выше и при пролетах более 12 м при кранах грузоподъемностью 20 т и выше; ригелей рам производственных и других зданий постоянной высоты сече- ния при пролетах 18-24 м и с увеличенной высотой сечения в зоне промежуточной опоры при пролетах 36 м и более; пролетных строений эстакад при пролетах 12- 18 м и более; главных балок рабочих площадок при пролетах 12 м и более; хребтовых балок специальных зданий.

431

Неразрезные двухпролетные фермы со смещением уровня опор рекомендуется применять в качестве: стропильных при пролете 24 м и более с параллельными поясами и высотой не менее 1/20 пролета при [ f/l ]=1/250 и 1/14 пролета при [ f/l ]=1/400; подстропильных ферм при пролете 12 м и более; подкрановоподстропильных ферм; пролетных строений конвейерных мостов при пролете 24 м и более; стропильных ферм большепролетных покрытий и др.

Трехпролетные неразрезные балки и фермы с регулированием напряжений методом смещения уровня опор рекомендуется применять в покрытиях зданий, пролетных строениях галерей только при наличии трех пролетов, причем наибольший эффект от регулирования напряжений достигается при уменьшенных крайних пролетах.

Наиболее выгодно применение неразрезных схем с регулированием напряжений в конструкциях из стали повышенной и высокой прочности. При норме прогиба 1/250 в двухпролетных балках переход на более прочные стали оправдан при относительных нагруженностях m0 изгибающим моментом (m0 =M0 /Ry0l, ãäå M0 - изгибающий момент в аналогичной разрезной балке, Ry0 =235 ÌÏà - для базовой стали) при m0 ³1,5·10-6 è äëÿ [ f/l ]=1/500 ïðè m0 ³(3...4)·10-6 .

Значительный эффект неразрезные системы дают за счет снижения их высоты, сокращения объема здания и затрат в связи с этим на стены, отопление и вентиляцию. Примеры зданий с неразрезными конструкциями, подвергнутыми смещению уровня опор, приведены на рис.13.31, 13.32.

432

13.3.5.Рамы и арки со смещением опор в горизонтальном направлении. Та же идея регулирования изгибающих моментов благодаря искусственному изменению величины распора заложена в методе смещения опор в рамах и арках в горизонтальном направлении. Смещение осуществляется в результате натяжения затяжки

ñпомощью домкратов, либо завинчиванием гаек. Затяжка размещается ниже отметки пола. При опирании арки на скальное основание смещение может быть произведено домкратами с заполнением образовавшегося зазора, прокладками расчетной толщины.

13.3.6.Системы с введенными дополнительно опорами или шарнирами в процессе монтажа. Регулирование эпюр изгибающих моментов и поперечных сил может быть осуществлено изменением конструктивной схемы сооружения в процессе монтажа. Наиболее простые приемы - обеспечить работу конструкции на собст-

венный вес по одной схеме, а на эксплуатационные нагрузки по другой. Например, при монтаже трехпролетного неразрезного покрытия балки или фермы переменной высоты в пределах среднего пролета могут монтироваться по частям самостоятельно, работая как консоли с вылетом, равным половине среднего пролета. Изгибающие моменты концентрируются в зоне промежуточных опор, где наибольшие высота и мощность сечения. После этого обеспечивается замыкание и на все последующие нагрузки конструкция работает как неразрезная.

Такого же эффекта можно достичь, вводя временные шарниры. На часть нагрузок система работает с учетом этих шарниров, в соответствии с этой схемой распределяются изгибающие моменты и поперечные силы. Затем шарниры замыкаются - на пояса устанавливаются накладки. На оставшиеся нагрузки система работает по иной схеме (рис.13.33). Введение временной опоры позволяет эффективно использовать несущую способность железобетонных плит, входящих в состав комбинированных конструкций.

Рис.13.33. Эпюры изгибающих моментов в неразрезной балке

1 – без временного шарнира; 2 – от постоянных нагрузок при введении временного шарнира; 3 – от полезных нагрузок после закрытия шарнира; 4 – суммарная эпюра

13.3.7. Стягивание или расклинивание смежных сечений. В статически неопределимых системах можно изменять напряженное состояние путем стягивания или расклинивания сечений смежных балок (ферм). В смежных элементах устраиваются скосы смежных балок (ферм). В поясах имеются расчетные зазоры, которые должны быть ликвидированы, благодаря стягиванию сечений смежных балок (ферм). В этом случае в опорах возникают реакции, а в балке предварительные изгибающие моменты. Расклиниванием сечений смежных элементов можно также создать системы предварительных изгибающих моментов, но противоположного знака.

13.3.8. Неразрезные, консольные, рамные конструкции с частичным пригрузом или разгрузкой. В таких системах временно в процессе монтажа можно вводить дополнительную нагрузку (балласт), которая будет создавать изгибающие моменты и поперечные силы. В результате этого можно достичь оптимальной эпюры изгибающих моментов.

433

13.3.9. Плиты и оболочки с растянутыми тонкими листами. В трехслойных плитах или элементах оболочек два слоя выполняются из тонкого стального или алюминиевого листа. На сжатие такие листы работать не могут, поэтому выполняют только ограждающие функции. Будучи предварительно растянутыми, эти листы в состоянии воспринимать сжимающие усилия. Натяжение листов можно осуществлять приваркой их к изогнутым элементам каркаса с последующим их выпрямлением и соединением по нейтральной оси болтами в плоскости листа, рычагом, стяжным болтом (рис.13.34). Крепление листов к каркасу осуществляется точечной сваркой, самонарезающими винтами со специальными шайбами, обеспечивающими плотность соединения.

1 2

Рис.13.34. Предварительное напряжение в панелях

à – с помощью изгиба; á – натяжением болтов, прикрепленных к листам; â – рычагом; ã – разрез панели; 1 – обшивка; 2 – бортовые элементы (каркас) панели; 3 – натяжные

болты; 4 – натяжной рычаг

13.4. ÈСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО НАПРЯЖЕНИЯ ПРИ РЕКОНСТРУКЦИИ

При реконструкции зданий и инженерных сооружений, связанной с изменением условий эксплуатации или ростом нагрузок от технологического оборудования, возникает необходимость усиления несущих конструкций. В широком смысле любое усиление есть регулирование напряжений в эксплуатируемой конструкции, ибо после усиления в конструкции будет возникать иное напряженное состояние по сравнению с тем, которое возникло бы, если бы усиление не проводилось.

В п.13.1 указаны методы, используя которые можно регулировать напряжения в несущих системах в процессе их реконструкции. На рис.13.35 приведена схема классификации методов регулирования напряжений. Наиболее активными, а иногда и единственно доступными, являются методы предварительного напряжения. Достоинства этих методов состоят в том, что:

∙усиление может в большинстве случаев производиться без разгрузки и без остановки технологического процесса;

∙по сравнению с методом увеличения сечений не требуется большого количества деталей усиления, а их закрепление производится в узлах;

∙возрастает надежность всей конструкции, так как нередко в процессе осуществления предварительного напряжения повышается степень статической неопределимости ее расчетной схемы;

∙увеличивается область упругой работы усиленной конструкции.

При реконструкции, так же как и во вновь возводимых конструкциях, предварительное напряжение осуществляется либо введением высокопрочных затяжек или шпренгелей, либо другими методами.

434

Разнообразные способы и схемы предварительного напряжения разрабатываются на основании результатов обследования и проекта усиления конструкций. Созданию предварительного напряжения на усиливаемые конструкции должна предшествовать установка деталей крепления анкерных и натяжных устройств, связей, диафрагм, фиксаторов и других элементов, необходимых для обеспечения устой- чивости конструкций при их усилении.

В балках, сплошностенчатых ригелях рам используются затяжки, размещаемые вдоль растянутого пояса. Благодаря натяжению затяжек создается изгибающий момент, противоположный по знаку моментам от постоянных и временных нагрузок. Размещение затяжки в пределах высоты конструкции несколько снижает эффект разгрузки из-за сравнительно малого плеча «å» (ðèñ.13.3,à), но зато не уменьшается рабочее пространство здания. Затяжки могут иметь и ломаное очертание и выводиться на верхний пояс для удобства их натяжения. В фермах эти затяжки могут размещаться по бокам, либо между двумя фермами в блоке. В рамах

èарках вновь введенные затяжки могут разгрузить пролетные зоны (рис.13.5,á,ä).

Âзданиях и сооружениях, в которых габариты усиливающих элементов не лимитируются, разгрузку и повышение несущей способности можно осуществить с

помощью предварительно напряженного шпренгеля (рис.13.3,å,æ; 13,4,â). Плечо разгружающего момента увеличивается и при сравнительно небольших усилиях предварительного напряжения, создаваемого с помощью фаркопфов, натяжных муфт, домкратов, электроразогрева и др., несущая способность конструкции повышается.

Предварительно напряженные тяжи могут играть роль дополнительных упругих опор, причем они воспринимают сжимающие усилия до тех пор, пока остаются растянутыми (рис.13.36). Например, в системе с двумя консолями для разгрузки

лей появились упругие опоры. Применение гибких предварительно напряженных элементов позволяет повы-

сить устойчивость сжатых и сжато-изогнутых элементов способом уменьшения расчетной длины. Устойчивость рамы может быть повышена благодаря постановке предварительно напряженных оттяжек (рис.13.37).

ность цилиндрических резервуаров на них может быть навита предварительно напряженная высокопрочная проволока или лента. При полной разгрузке резервуара цилиндрическая оболочка сжимается до определенного уровня напряжений, а далее при нагружении будет работать усиленный резервуар.

436

В условиях действующих предприятий предпочтительны механические способы создания предварительного напряжения. В этом случае применяют установки с гидравлическими домкратами, динамометрические ключи, винтовые распорки и стяжки, тяжи, полиспасты, тали, а также используют пригруз и различные распорные устройства. Выбор средств натяжения зависит от требуемого усилия натяжения, конструктивных форм затяжек и производственных возможностей. Если для создания больших усилий применяют толкающие гидравлические домкраты, то для создания небольших усилий можно использовать тяжи, стяжки, тали и тянущие домкраты.

Уровень напряжений контролируют по значению усилия в домкратах, фиксируемого показаниями манометра, и по удлинению затяжки, регистрируемому прогибомерами. После натяжения, контроля и фиксации затяжки натяжное устройство демонтируется.

Регулирование напряжений может быть осуществлено и без высокопрочных элементов. В некоторых конструкциях весьма эффективно использование контргруза. Например, для разгрузки балки или фермы на консолях подвешивается контргруз, создающий изгибающий момент на опорах. В рамах к наружным узлам можно подвесить стены, которые также своим весом будут разгружать пролет.

Весьма технологичным приемом разгрузки эксплуатируемых подкрановых балок является использование распорных устройств с контргрузом. К нижним поясам балок прикладывается продольное усилие S0, выгибающее каждую балку вверх (рис.13.38). Между соседними балками вложены специальные вкладыши, обеспе- чивающие передачу усилия от балки к балке. В крайних панелях устанавливаются связи, обеспечивающие передачу распора на основание. Описанный способ весьма прост и технологичен: сила распора, обеспечивающая выгиб балок, легко контролируется и может при необходимости изменяться

A

A

Рис.13.38. Разгрузка подкрановых балок

Предварительный выгиб конструкций используется при подведении под них новых поддерживающих конструкций. Если не распереть их, то поддерживающая система будет работать лишь как страховочная. Приподняв конструкцию с помощью домкратов и закрыв образовавшийся зазор между ними, можно затем, сняв домкраты, сразу же включить в работу поддерживающую конструкцию.

В неразрезных системах предварительное напряжение может осуществляться путем изменения уровня опор. Например, к двухпролетной стропильной балке предстоит подвеска нового технологического оборудования, в результате чего пролетные сечения оказываются перенапряженными. В этом случае удобно с помощью домкратов поднять балку на средней опоре, а в образовавшийся зазор нужной величины установить прокладку. В результате пролетная часть будет разгружена и балка может эксплуатироваться в новых условиях без увеличения сечения.

Для разгрузки колонн или стоек можно использовать способ подведения предварительно сжатого стержня. Этот стержень, например, труба 1, вставляется в другую трубу 2, несколько короче первой, и закрепляется на общей опорной плите 3 (ðèñ.13.39,à). Наружная труба нагревается, удлиняется и приваривается к общей

437

Рис.13.40. Регулирование изгибающих моментов методом стягивания и расклинивания

à– эпюры изгибающих моментов: 1 – до регулирования; 2 – после регулирования;

á– эпюры от введенного момента Mps; â – узел стягивания соседних сечений;

ã– узел вращения соседних сечений

438

В выбранном месте устанавливаются на болтах упоры 1 и дополнительная накладка на нижний пояс 7, затем тяги 3 и домкрат 4 (ðèñ.13.40,â). Места под упорами рекомендуется укрепить короткими ребрами жесткости 2. После включения домкрата в работу сечение балки клинообразно разрезается газом. Поперечная сила в этот момент воспринимается нижним поясом и накладкой, а изгибающий момент домкратной тягой и нижним поясом. Далее концы ригеля стягиваются с определенным усилием, поворачиваясь вокруг нижнего пояса, после чего устанавливаются накладки 5 è 6, а домкрат и упоры снимаются. Если ввести только изгибающий момент, т.е. не допустить смещения по оси ригеля, то в стенке ригеля делается вырез, устанавливаются накладки 8 и цилиндрический вкладыш 9. Домкраты устанавливают на двух поясах и также поворачивают сечение после разрезки (рис.13.40,ã).

13.5. ÎБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПО РАСЧЕТУ ПРЕДВАРИТЕЛЬНО НАПРЯЖЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Расчеты предварительно напряженных конструкций целесообразно проводить, принимая за исходное (по геометрии и усилиям) состояние системы после завершения ее монтажа (сборки), под действием некоторой части (или всей) расчетной постоянной нагрузки. От этого состояния расчеты ведутся в двух направлениях: в сторону рассмотрения всех сочетаний воздействий для стадии эксплуатации объекта и в обратном направлении - до полной разборки системы на ненагруженные монтажные блоки и элементы. Далее, если предварительное напряжение выполнялось и на уровне элементов, то расчеты проводятся до этапа разгрузки напряженного элемента на отдельные детали.

Такой порядок расчета гарантирует исчерпывающий анализ геометрии конструкции и дает полное представление о ее напряженно-деформированном состоянии на любом этапе монтажа и эксплуатации. При этом проще учитывать допуски и погрешности сборки системы, проявление и развитие реологических свойств несущих элементов, историю ремонтов и реконструкции. Применение «обратного» подхода к анализу монтажных состояний позволяет обоснованно проводить коррекцию сборки и регулировку усилий на любом ее промежуточном этапе по данным контрольных измерений усилий, реакций и перемещений с позиций гарантированного входа в коридор нормативных допусков на готовую к эксплуатации конструкцию.

Нормативные проверки прочности и устойчивости должны выполняться для каждого этапа монтажа, поскольку в промежуточных состояниях система обладает меньшей жесткостью, большей изменяемостью, что нередко приводит к потребности в установке дополнительных монтажных элементов, связей и к специальной программе регулирования внутренних усилий.

Особенностью расчета предварительно напряженных конструкций является то, что в состоянии, принятом за исходное, в статически неопределимой системе могут быть заданы все усилия в «лишних» связях. Задание этих усилий может быть предметом решения задачи оптимизации объекта по любому критерию качества или по совокупности таких критериев.

Одна из основных целей расчета - выбор величины предварительного напряжения (регулирования напряжения) либо параметра, его характеризующего (усилия натяжения затяжки, смещение на опоре, величина нагрева элемента и т п.). Эти параметры определяются прежде всего из условия обеспечения наибольшей эффективности конструкции - минимальной металлоемкости, стоимости «в деле» или при-

439

веденных затрат. Задача относится к классу оптимизационных и решается различными математическими методами, в том числе линейным или нелинейным программированием. В некоторых случаях параметры регулирования определяются из условия удобства конструирования, изготовления или монтажа, например обеспечения постоянства сечения на всей длине и т.д.

Необходимо учитывать возможные потери предварительных напряжений по разным причинам: обмятие поверхностей анкеров, релаксацию в высокопрочных проволоках, возникновение температурных напряжений при остывании и др.

Рекомендуются следующие значения коэффициентов надежности по нагрузке при предварительном напряжении fps (табл.13.1). Так как предварительные напряжения могут совпадать по знаку с напряжениями от рабочих нагрузок, а чаще имеют противоположный знак, то одинаково опасно допустить при предварительном напряжении перегрузку и недогрузку. Поэтому устанавливаются два уровня

В металлических конструкциях можно указать следующие причины потерь в усилиях предварительного напряжения:

из-за релаксации напряжений высокопрочной проволоки; из-за обмятий анкеров и шайб в опорных узлах; из-за трения затяжек в огибающих приспособлениях;

из-за неравномерной осадки оснований под опорами неразрезных конструкций (учитывается коэффициентом надежности по нагрузке);

из-за возникновения температурных напряжений после сварки; из-за проявления реологических эффектов в бетоне комбинированных конст-

рукций.

Потери от релаксации в высокопрочной проволоке составляют 5 % напряжений (n = 0,05). Потери от обмятий анкеров, шайб, прокладок и др.

σn2 =(0,42/l3 )σ3 ,

ãäå l3 - длина элемента из высокопрочных проволок, м. При l3 = 12...60 ì n2 =(0,035...0,007)σ3 .

Потери из-за трения в огибающих приспособлениях σn3 = (1 − 1 / e0,25θ )σ3 ,

ãäå θ - суммарный угол поворота оси затяжки, рад. В балках с высотой 1/12 пролета

σn3 0,04σ3 .

Суммарные потери напряжений рекомендуется учитывать интегральным коэффициентом потерь напряжений (табл.13.2)

440