Наиболее характерными повреждениями сборных железобетонных конструкций (плит, колонн, балок и ферм) являются трещины, разрушение защитного слоя бетона, иногда с частичным обнажением арматурных стержней. Наблюдаются сколы бетона консолей колонн, прогибы горизонтальных элементов и т.д. Все эти дефекты снижают несущую способность железобетонных конструкций и для дальнейшей эксплуатации ослабленных элементов необходимо проводить их усиление.
Усиление железобетонных конструкций осуществляется чаще всего путем устройства обойм, рубашек, одностороннего и двустороннего наращивания. Эти методы усиления позволяют значительно увеличить несущую способность железобетонных конструкций при сравнительно небольшом расходе металла и обеспечить устойчивость к воздействию агрессивных сред. Обоймы, рубашки и наращивания состоят из арматуры и тонкого слоя бетона толщиной от 30 до 300 мм.
Железобетонные обоймы охватывают усиливаемый элемент с четырех сторон и применяются для усиления балок, ригелей и колонн. Благодаря усадке бетона железобетонные обоймы плотно обжимают усиливаемый элемент и работают с ним совместно. Рабочая арматура обойм обеспечивает усиление конструкций в растянутых зонах.
Рубашки представляют собой незамкнутые с одной стороны монолитным бетоном конструкции и применяются для усиления ригелей, балок перекрытий, колонн и фундаментов.
Наращивание представляют собой увеличение сечения усиливаемой конструкции сверху, снизу и с боков слоем монолитного железобетона и применяются для усиления балок, ригелей, колонн, стен и плит перекрытия. Для надежного и прочного сцепления бетонного слоя усиления поверхность усиливаемой конструкции должна быть тщательно подготовлена путем насечки или пескоструйным аппаратом, а существующая арматура очищена от поверхностной коррозии. Перед бетонированием поверхность усиливаемой конструкции должна быть увлажнена.
Для усиления железобетонных рам многоэтажных промышленных зданий применяют установку железобетонных или металлических, подкосов, полураскосов, рам или стоек, приведенных на рис.1.
Подкосы и рамы устанавливают на всю высоту этажа здания на плиты перекрытия (рис. 1, а,б), а полураскосы и стойки - на специальные железобетонные обоймы или анкерные устройства для опоры стоек (рис. 1, в, г).
Передача нагрузки от ригелей на подкосы осуществляется через стальные листы и прокладки из стального листа на графитовой смазке. После включения подкосов в работу к ним в верхней части на сварке крепится металлическая распорка. Распор осуществляется с помощью домкратов.
Рис. 1. Усиление ригелей железобетонных рам многоэтажных зданий установкой подкосов (а), рам (б), полураскосов (в) и стоек между ригелями перекрытий (г)
Железобетонные или металлические рамы устанавливаются на стальные прокладки для предотвращения местного смятия в плитах перекрытия. Для включения рамы в работу в верхней части рамы устанавливают пластины-клинья для передачи нагрузки от ригеля. В местах перегиба вертикальных и наклонных элементов рамы прикрепляют металлическую затяжку для нейтрализации горизонтального распора.
В случае установки полураскосов на железобетонные опорные обоймы к ним в верхней части привариваются тяжи из арматурной стали с муфтами, с помощью которых в подкосах создается предварительное напряжение (рис.1, в). В верхней части полураскосы заканчиваются металлическими листами, на которые установлены прокладка из стального листа на графитовой смазке. Графитовая смазка обеспечивает скольжение листа подкоса по прокладке при натяжении горизонтального тяжа с помощью стяжной муфты.
Более простым способом усиления многоэтажных рам является установка в середине пролета металлических стоек, которые с помощью анкерных устройств крепятся к ригелям рамы (рис. 1, г). Металлические стойки изготавливаются из труб или прокатных профилей (труба, двутавр, коробка из швеллера или уголка). Для пропуска тяжей анкерных устройств в междуэтажных плитах перекрытий пробивают отверстия, которые затем заделывают бетоном.
Для усиления железобетонных колонн применяют железобетонные обоймы и рубашки, стальные обоймы и обоймы с косвенным армированием, технология устройства которых приведена и на рис. 2.
При устройстве железобетонной обоймы или рубашки (рис. 2, а) сначала готовят боковые поверхности усиливаемой колонны к бетонированию путем перфорирования или насечки. Затем устанавливают арматурный каркас и опалубку и производят бетонирование с уплотнением бетонной смеси. Возможен вариант нанесения бетонной смеси путем торкер-пушки с последующим заглаживанием нанесенного слоя бетона.
Косвенное армирование (рис.2, б) применяют в тех случаях, когда квадратную колонну необходимо превратить в круглую. Для этого продольная арматура обоймы устанавливается по центру боковых поверхностей колонны, а поперечная косвенная арматура наматывается кольцами, создавая округлую поверхность. Для бетонирования применяется кольцевая опалубка.
Рис. 2. Усиление железобетонных колонн устройством железобетонной обоймы (а), железобетонной обоймы с косвенным армированием (б) и железобетонной рубашкой (в)
Усиление железобетонных колонн может осуществляться установкой приставных разгружающих стоек и устройством стальной обоймы (рис. 3). В качестве приставных разгружающих стоек (рис.3, а) обычно применяют прокатные швеллеры, которые устанавливают на опорные пластины и прикрепляют на сварке к стальным листам стяжного хомута. К стальным листам на сварке с шагом, установленным расчетом, приваривают упорные уголки с стяжными болтами. С противоположной стороны усиливаемой колонны с таким же шагом устанавливают уголки-шайбы с отверстиями, в которые вставляют стяжные болты. Натяжение болтов производят динамометрическими ключами.
Рис.3. Усиление железобетонных колонн установкой приставных
разгружающих стоек (а) и устройством стальной обоймы (б)
Для устройства стальной обоймы (рис. 3, б) используют стальные листы толщиной 2-3 мм, которые устанавливают по сторонам усиливаемой колонны. Стальные листы перед установкой очищают от окалины и ржавчины и обезжиривают ацетоном. По ребрам колонн устанавливают уголки, привариваемые к металлическим листам. В уголках прорезают отверстия через которые инъецируют эпоксидный клей в зазор между боковой поверхностью колонны и стальными листами обоймы.
Усиление консолей железобетонных колонн. В железобетонных колоннах с консолями для опирания ригелей возникает необходимость усиления консолей, примеры которых приведены на рис. 4.
Рис. 4. Усиление консолей железобетонных колонн устройством железобетонной (а) и металлическими (б,в) обоймами: для (а) 1 - усиливаемая консоль колонны; 2 - железобетонная обойма; 3 - поверхность консоли, подготовленная к бетонированию; 4 - продольная арматура обоймы; 5 - поперечная арматура обоймы; для (б) 1 - усиливаемая консоль колонны; 2 - элементы металлической обоймы; 3 - дополнительный металлический столик (при необходимости); для (в) 1 - усиливаемая консоль колонны; 2 - уголки обоймы; 3 - предварительно напряженные тяжи обоймы; 4 - коротыши из труб; 5 - шайбы и гайки для создания предварительного натяжения; 6 - штукатурка по сетке
Для этого обычно используют следующие способы их усиления:
- устройство железобетонной обоймы;
- устройство металлической обоймы;
- устройство предварительно напряженной металлической обоймы.
Усиление консолей колонн может осуществляться предварительно напряженными наклонными или горизонтальными тяжами (рис. 5).
Рис. 5. Усиление консолей колонн предварительно напряженными наклонными (а) и горизонтальными (б) тяжами:
1- усиливаемая консоль; 2 - верхние опорные элементы; 3- нижние упоры из пластин; 4- предварительно напряженные тяжи; 5- гайки с шайбами; 6- упоры из швеллеров
Для устройства предварительно напряженных наклонных и горизонтальные тяжей используется арматурная сталь, которая пропускается через отверстия уголковых или швеллерных упоров и натягивается с помощью накручивания гаек динамометрическими ключами.
Для усиления железобетонных двухветвевых колонн устраивают железобетонные обоймы вокруг ветвей колонны или железобетонные рубашки, приведенные на рис. 6.
Рис. 6. Усиление железобетонных двухветвевых средних колонн железобетонной обоймой (а) и крайних колонн – железобетонной рубашкой (б)
Железобетонные обоймы вокруг ветвей устраивают обычно у средних колонн (рис. 6, а), а железобетонные рубашки (рис. 6, б) - у крайних колонн.
Для устройства железобетонных обойм и рубашек необходимо осуществить подготовку ветвей колонн к бетонированию путем зачистки, насечки и промывки бетонной поверхности. Затем произвести установку арматурного каркаса обоймы, установить инвентарную щитовую опалубку и заполнить ее бетонной смесью с обязательным уплотнением бетонной смеси вибратором. В качестве арматурных каркасов обойм и рубашек применяют арматурную сталь соответствующего диаметра. В отличие от железобетонных обойм, в которых горизонтальные хомуты устраивают по периметру усиливаемых ветвей, в железобетонных рубашках используется поперечные П-образные хомуты.
Усиление железобетонных двухветвевых колонн возможно осуществить металлической обоймой из прокатного профиля (уголки, швеллера) или путем наклейки металлических листов на эпоксидном клее (рис. 7).
Рис. 7. Усиление железобетонных двухветвевых колонн металлическими обоймами вокруг ветвей из уголков и швеллеров (а) и наклейкой металлических пластин (б):
для (а) 1 - усиливаемая колонна; 2 - фундамент; 3 - продольные уголки обоймы; 4 - поперечные планки обоймы; 5 - поперечные планки-упоры; 6 - продольные швеллеры обоймы
Устройство металлических обойм из прокатного профиля (уголки, швеллеры) осуществляется путем установки продольных уголков или швеллеров на цементно-песчаном растворе с последующим прикреплениям к ним поперечных планок обоймы. При этом с внутренних сторон ветвей колонны устанавливаются поперечные планки-упоры из уголков, а с наружной стороны - из металлических пластин. На участках расположения распорок полки продольных уголков вырезают (рис. 7, а).
Наиболее эффективным методом является использование для усиления ветвей колонны металлических пластин толщиной 2-3 мм, которые наклеиваются на боковые поверхности ветвей на полимеррастворе на эпоксидном клее (рис. 7, б). Для соединения противоположных металлических пластин применяют стяжные болты, которые устанавливают в просверленные в ветвях колонны и в металлических листах отверстия. Перед наклейкой листов поверхность колонны выравнивается. Металлические листы очищаются от окалины и продуктов коррозии и обезжириваются ацетоном.
Подкрановые балки в процессе эксплуатации подвергаются сложным по сочетании нагрузкам и, как правило, изнашиваются быстрее других конструкций здания. Наиболее часто выходят из строя верхние полки и свесы подкрановых балок.
В железобетонных подкрановых балках наиболее часто выходит из строя верхний пояс балки, варианты усиления которого приведены в работе С.В. Дяткова и могут выполняться следующими способами:
- металлической полкой с ребрами жесткости;
- металлической обоймой;
- шпренгелями;
- выносными опорами;
- предварительным напряжением и т.п.
Рис. 8. Варианты усиления железобетонных подкрановых балок:
а - металлической полкой с ребрами жесткости; б - металлической обоймой; в - преднапряженным шпренгелем; г - выносными опорами
Изношенные полки подкрановых балок заменяют на металлические полки из прокатных уголков, которые на сварке прикреплены к ребрам жесткости. К горизонтальным полкам уголков приварен металлический лист, который представляет собой верхнюю поверхность подкрановой балки. В середине металлического листа оставлены отверстия для инъецирования бетонной смеси. К ребрам жесткости прикреплены на сварке вертикальные тяжи из арматурной стали. В нижней части вертикальные тяжи с нарезкой резьбы пропущены в обрезки водопроводных труб, которые приварены к нижним уголковым элементам балки. Нижние полки уголков соединены связующими пластинками. После набора бетоном прочности не менее 70% от марочной, производят натяжение тяжей с помощью затягивания гаек специальными динамометрическими ключами.
Усиление полок подкрановых балок устройством металлической обоймы (рис. 7, б) производится путем установки на цементно-песчаном растворе двух швеллеров, соединенных между собой в верхней части металлическими планками с шагом 750 мм, а в нижней - арматурными стержнями, пропущенными в просверленные в стенке балки отверстия. После установки соединительных планок между планками устраивается стяжка из цементно-песчаного раствора. Цементно-песчаным раствором заделываются зазоры в отверстиях с арматурными стержнями в стенке балки.
Для усиления подкрановых балок возможно установить преднапряженный шпренгель, который верхними концами на сварке крепят к металлической обойме балки (рис. 7, в). В местах перегиба шпренгеля установлены металлические подкладки. Натяжение шпренгеля осуществляют с помощью натяжной муфты, установленной в середине нижнего пояса шпренгеля.
Для усиления верхних полок балок устраивают наращивание из железобетона или листового металла на полимеррастворе (рис. 9).
Рис. 9. Усиление полок железобетонных подкрановых балок наращиванием из железобетона (а) и листового металла на полимеррастворе
Устройство наращивания из железобетона (рис. 8, а) выполняют в сжатой зоне подкрановых балок путем подготовки бетонной поверхности балки к бетонированию, при которой производят зачистку и насечку поврежденной поверхности с последующей промывкой ее водой. Затем устанавливают арматурные сетки и инвентарную щитовую опалубку и осуществляют укладку бетонной смеси из мелкозернистого бетона толщиной слоя 30-50 мм. При бетонировании сохраняют отверстия для крепления кранового рельса.
Наращивание полок из листового металла на полимеррастворе (рис. 8, б) осуществляется путем приклеивания металлического листа толщиной 2-3 мм на эпоксидном клее к подготовленной бетонной поверхности балки. Перед наклейкой металлический лист очищается от окалин и ржавчины и обезжиривается ацетоном. Для прочного прилегания металлического листа к бетонной поверхности подкрановой балки к листу приварены анкеры, которые устанавливаются на полимеррастворе в высверленные в балке скважины через 750 мм. В металлических листах перед наклейкой оставляют отверстия для крепления кранового рельса.
Усиление полок подкрановых балок с помощью железобетонных рубашек и рубашек из стеклопластика приведено на рис. 10.
Для усиления свесов подкрановой балки железобетонной рубашкой необходимо подготовить их к бетонированию путем удаления разрушенного бетона, зачистки и промывки водой оставшейся бетонной поверхности. После этого следует установить опалубку и арматурный каркас рубашки, а затем осуществить бетонирование свесов мелкозернистым бетоном (рис. 10, а).
Рис. 10. Усиление полок подкрановых балок устройством железобетонной рубашки (а) и рубашки из стеклопластика (б):
1 - усиливаемая подкрановая балка; 2 - удаленные разрушенные свесы подкрановой балки; 3 - железобетонная рубашка; 4 - арматурный каркас; 5 - трубки диаметром 20 мм для крепления кранового рельса; 6 - поверхность балки, подготовленная к бетонированию или наклейке стеклопластика; 7 - поверхностно-оклеечный стеклопластик из 2-х слоев; 8 - эпоксидный клей
Устройство рубашки из стеклопластика (рис. 10, б) является менее трудоемким процессом, чем устройство железобетонной рубашки, так как не требует установки опалубки, арматурного каркаса и выполнения бетонных работ. Технологический процесс устройства рубашки из стеклопластика сводится к подготовке бетонной поверхности к наклейке стеклопластика путем зачистки и обезжиривания и последующего приклеивания двух листов стеклопластика марок СТ-11, СТ-13 или стеклосетки марок РС-1, РС-2, очищенных от замасливания ацетоном, на слой эпоксидного клея.
В тех случаях, когда необходимо произвести усиление стенок железобетонных подкрановых балок, то возможно использовать такие методы, как устройство железобетонной (а) или пластиковой (б) рубашки, стальной обоймы (в) или наклейки листового металла на полимеррастворе (г), приведенные на рис. 11.
Усиление стенок железобетонных подкрановых балок железобетонной рубашкой и рубашкой из стеклопластика (рис. 11, а, б) производится аналогично, как и свесов подкрановых балок (рис. 10, а,б), с той лишь разницей, что работы выполняются не на горизонтальной, а на вертикальных поверхностях.
Рис. 10. Усиление стенок железобетонных подкрановых балок устройством железобетонной (а) и пластиковой (б) рубашки, стальной обоймы (в) и наклейки листового металла на полимеррастворе (г)
Металлическая обойма (рис. 10, в) изготавливается из двух листом толщиной 2-3 мм, к которым в верхней и нижней кромках приварены прокатные уголки. Перед установкой обоймы производят подготовку бетонных поверхностей стенок балки для наклейки листов. Крепление металлической обоймы осуществляется с помощью стяжных болтов, установленных через 750 мм в просверленные отверстия полок подкрановых балок и горизонтальных полок верхних уголков обоймы. После установки обоймы в проектное положение производят герметизацию зазора по периметру металлических листов. В стенках нижних уголках обоймы просверлены отверстия для установки штуцеров, через которые после установки обоймы нагнетается эпоксидный клей в зазор между боковой поверхностью усиливаемой балки и поверхностью металлических листов.
Вместо устройства металлической обоймы для усиления стенок подкрановых балок можно осуществить наклейку листового металла толщиной 2-3 мм на полимеррастворе. (рис. 10, г). Для этого готовят бетонные поверхности стенок усиливаемой балки к наклейки аналогичным способом, как и при устройстве пластиковой рубашки. Затем очищают с внутренней стороны металлические листы от окалины и ржавчины и обезжиривают их ацетоном. На подготовленные поверхности стенок усиливаемой балки и на внутренние поверхности металлических листов наносят слой эпоксидного клея, после чего листы прижимают к боковым поверхностям балки и стягивают стяжными болтами, которые устанавливают в просверленные отверстия в стенке усиливаемой балки и в металлических листах.