Ребров И.С. - Усиление стержневых металлических конструкций

Ребров И. С. Усиление стержневых металлических конструкций: Проектирование и расчет.—Л.: Стройиздат. Ленингр. отд-ние, 1988—288 с, ил.
ISBN 5-274-00153-Х
Книга посвящена вопросам проектирования и расчета усиления стержневых металлических конструкций. В ней с единых позиций рассматриваются работа и расчет различных типов плоских стержневых конструкций и их элементов, усиливаемых в напряженном состоянии. Значительное внимание уделено вопросам расчетной оценки влияния технологии усиления, и особенно напряжений и деформаций, возникающих при усилении с помощью сварки. Приведены рекомендации по проектированию и приближенным методам расчета усиления стальных конструкций.
Для научных и инженерно-технических работников научно-исследовательских и проектных организаций.
ВВЕДЕНИЕ
В решениях XXVII съезда КПСС подчеркивалось, что материальные и финансовые ресурсы следует в первую очередь направлять на техническое перевооружение и реконструкцию действующих предприятий, т. е. туда, где можно расширить производственные возможности без нового строительства или с меньшими капитальными затратами. Доля капитальных вложений на эти цели к 1990 году должна составить 50 % всех средств, выделенных для промышленного строительства. Модернизация производства, как правило, обусловливает увеличение эксплуатационных нагрузок на конструкции зданий и сооружений, что, в свою очередь, приводит к необходимости их усиления.
Разработке приемов и методов усиления металлических конструкций посвящено сравнительно много работ. Среди них следует отметить монографии М. Н. Лащенко [29, 30, 31], в которых дана классификация и сделан анализ таких методов, исследования Е. О. Патона, В. А. Гастева, Н. Б. Лялина, Т. М. Богданова, Е. О. Осипова, Г. К. Евграфова, выполненные применительно к мостам; работы Г. А. Шапиро, М. Б. Солодаря, Я. А. Ильяшевского, М. М. Сахновского, М. Р. Вельского, посвященные усилению металлических конструкций промышленных зданий; работы А. М. Петрова, И. Л. Хаютина, О. Н. Суслова, рассматривающие вопросы усиления соединений, и т. д.
Многочисленные публикации в строительных журналах, в обзорной и реферативной информации посвящены описанию отдельных примеров усиления стальных конструкций. Как правило, усиление осуществляется в условиях действующего производства, когда на усиливаемые конструкции воздействуют некоторые эксплуатационные нагрузки. Это диктует необходимость особого подхода не только к организации, схемам и технологии усиления, но и к методам проектирования и расчета усиления конструкций. Между тем методы оценки несущей способности усиливаемых конструкций до настоящего времени разработаны недостаточно.
Одно из первых предложений по расчету прочности усиленных под нагрузкой стальных элементов было сделано Б. Г. Шварцбургом и Я. Л; Куденком [82], Разработкой приближенных методов оценки прочности и деформативности усиливаемых под нагрузкой балок занимались Е. И. Беленя, И. Я. Донник, М. Я. Шепельский, И. С Ребров [5, 19, 54, 85].
Вопросы прочности и устойчивости сжатых элементов, усиленных под нагрузкой, рассматривались В. М. Колесниковым [26], А. Г. Иммерманом и Б. И. Десятовым [17, 22], И. С. Ребровым [51]. Оценке прочности усиливаемых растянутых элементов посвящено исследование Р. Кизингера [24]. Работа сжатых стержней, усиливаемых под нагрузкой введением дополнительной боковой опоры с целью уменьшения расчетной длины элементов, исследовалась К. Рабольдтом [88].
Перечень приведенных выше публикаций показывает, что особенности работы усиливаемых под нагрузкой конструкций изучались в основном на их отдельных элементах, как правило, для простейших форм сечений, схем усиления, условий загружения и граничных условий, причем решения носят приближенный характер и дают возможность лишь грубой оценки несущей способности того или иного типа элементов. Недостаточно разработаны вопросы оценки деформативности усиливаемых элементов и влияния сварки при усилении под нагрузкой.
Особенности расчета конструкций при изменении их конструктивных схем под нагрузкой не получили освещения в технической литературе, за исключением работы [52]. Отсутствие единых нормативных документов по проектированию и расчету усиления стальных конструкций и настоятельная потребность в них привели в свое время к появлению ведомственных инструкций, затрагивающих отдельные вопросы усиления [58, 59]. Эти инструкции содержали различные и зачастую противоречивые рекомендации по методам расчета усиливаемых под нагрузкой элементов, базирующиеся на тех или иных перечисленных исследованиях. Столь же противоречиво излагаются методы расчета усиления элементов в литературе, посвященной общим вопросам эксплуатации и усиления конструкций [8, 66]. Зачастую рекомендации по расчету основаны на методике допускаемых напряжений, что значительно снижает эффективность усиления.
Попытке устранить эти пробелы и разработать общий подход к проектированию усиления металлических конструкций посвящена настоящая книга. В ней с единых позиций рассматриваются вопросы работы и расчета плоских стержневых конструкций и их элементов, усиливаемых в напряженном состоянии. Аппарат расчета таких конструкций с учетом физической и геометрической нелинейности их работы опирается на интенсивно разрабатываемые в настоящее время численные методы, ориентированные на применение ЭВМ. Сложность работы усиливаемых конструкций, возможность вовлечения их в совместную работу с примыкающими и ограждающими конструкциями, потери эксплуатационных свойств вследствие усталостных или хрупких разрушении и т. п. обусловили отказ от рассмотрения некоторых типов конструкций и внесение в расчет ряда упрощающих предпосылок. В настоящем исследовании рассматриваются плоские стержневые конструкции, работающие в условиях статического нагружения и эксплуатирующиеся при расчетных температурах не ниже—40''С, При усилении конструкций, работающих на динамические и вибрационные нагрузки и при низких температурах, необходимо учитывать возможность хрупких отказов, что диктует особый подход к методам проектирования, расчета и конструктивного оформления усиления.
Раздел I посвящен рассмотрению общих вопросов проектирования и расчета усиления металлических конструкций. Дан краткий анализ причин, вызывающих необходимость усиления, и приведены сведения об основных методах, приемах и способах его осуществления. Отмечены особенности работы усиливаемых конструкций и сформулирован общий подход к решению задач их расчета.
В разделе II изложены методы расчета элементов металлических конструкций, усиливаемых под нагрузкой способом увеличения их сечений. Дополнительно рассмотрены вопросы усиления стенок двутавровых стержней. На основе разработанных алгоритмов и программ проведен детальный анализ особенностей работы усиливаемых элементов с оценкой влияния начальных и сварочных деформаций на их прочность, устойчивость и деформативность.
Раздел III посвящен методам расчета стержневых конструкций, усиливаемых под нагрузкой путем изменения их конструктивных схем или увеличения сечений отдельных элементов. Рассмотрены способы учета начальных деформаций системы и деформаций, возникающих на стадии усиления с использованием сварки или методов принудительного регулирования усилий. Дан пример построения программы расчета по ЭВМ.
В разделе IV приведены общие рекомендации по проектированию усиления конструкций и их элементов и технологии его осуществления. На основе анализа результатов расчетов на ЭВМ разработаны приближенные методы оценки прочности, устойчивости и деформативности элементов, усиленных под нагрузкой способом увеличения их сечений. Автор выражает глубокую признательность проф. А. В. Геммерлингу, советы которого во многом определили направление исследований, а также проф. Е. А. Бейлину и д-ру техн. наук В. И. Сливкеру, сделавшим ряд ценных замечаний при просмотре рукописи.
Раздел L ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И РАСЧЕТА УСИЛЕНИЯ СТЕРЖНЕВЫХ КОНСТРУКЦИЙ
Глава 1. МЕТОДЫ и схемы усиления стержневых МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ
Причины, вызывающие необходимость усиления металлических конструкций. Реконструкция промышленных предприятий и их техническое перевооружение, как правило, связаны с увеличением эксплуатационных нагрузок на существующие конструкции зданий и сооружений. Обновление или модернизация оборудования, осуществляемые в ряде отраслей через каждые 8—10 лет, приводят зачастую к значительному (в 2 раза и более) увеличению технологических нагрузок [8]. Замена физически или морально устаревших ограждающих конструкций также иногда вызывает возрастание постоянных нагрузок. Увеличение нагрузок приводит к необходимости повышения несущей способности конструкций и является основной причиной их общего усиления.
В ряде случаев необходимость местного (реже общего) усиления металлических конструкций диктуется ошибками или дефектами, возникшими на стадии их проектирования, изготовления или монтажа. Ошибки в проектировании характерны для проектов, выполненных либо в дореволюционный период, либо неспециализированными организациями. В зданиях старой постройки особенно часто требуют усиления сжатые элементы, что связано с несовершенством методов расчета устойчивости сжатых стержней в период проектирования. Иногда при проектировании не учитывалась и возможность появления сжимающих усилий в элементах решетчатых конструкций, рассчитываемых из условия их работы только на растяжение.
К характерным дефектам конструкций, возникшим на стадии их изготовления, относятся использование элементов из стали пониженной по сравнению с проектом марки или меньшего сечения и начальные погнутия стержней. Начальные искривления являются следствием неправильно организованной технологии сборки, сварки и правки сварных и прокатных профилей. Накопление повреждений и погнутий происходит в процессе погрузочно-разгрузочных работ, при транспортировке или монтаже конструкций. Возрастают как число деформированных стержней, так и стрелки их прогибов. В ряде случаев перегрузка конструкций и необходимость их усиления возникают, вследствие утяжеления ограждающих конструкций, стяжек, утеплителя и т. п. по сравнению с проектом.
Следующей причиной, вызывающей необходимость усиления металлических конструкций, является их физический износ в результате длительной интенсивной или неправильной эксплуатации. В первую очередь износ связан с поражением металла коррозией, резко снижающей несущую способность элементов, узлов или конструкций в целом. Особенно большие объемы работ по усилению корродированных стальных конструкций характерны для предприятий химической промышленности.
В металлургических цехах необходимость усиления стальных конструкций может явиться следствием больших остаточных деформаций элементов, подвергающихся интенсивному нагреву. Повреждения конструкций возникают и в результате грубого нарушения правил их эксплуатации. Для элементов решетчатых конструкций (колонн, ферм и т. п.) особенно характерны значительные остаточные деформации, искривления и прогибы, вызванные приложением дополнительных нагрузок при ремонте или монтаже оборудования, подвеске технологических трубопроводов, подъеме различных грузов и т. д. В сочетании с дефектами, возникающими на стадии изготовления, транспортировки и монтажа, это приводит к массовому повреждению конструкций.
Так, по данным испытательной станции кафедры металлических конструкций МИСИ им. В. В. Куйбышева, до 83 % обследованных стропильных ферм имели те или иные повреждения, причем 82 % этих повреждений составили погнутия (искривления) их элементов. Стрелки прогибов сжатых стержней достигают значительных величин, что приводит к необходимости их усиления.
В процессе транспортировки, монтажа и эксплуатации в конструкциях накапливаются локальные повреждения (трещины, вмятины, повреждения кромок, местные погнутия, вырывы и вырезы полок и стенок профилей и т. д.). Устранение дефектов такого рода условимся считать мероприятиями по ремонту конструкций и в дальнейшем не рассматривать. Под термином «усиление» будем понимать повышение несущей способности конструкции или ее элемента в целом.
1.1. Общие методы и приемы усиления
Усиление металлических конструкций включает комплекс мероприятий, обеспечивающих дальнейшую их надежную эксплуатацию и способность удовлетворять эксплуатационным требованиям. В дальнейшем будут рассматриваться только вопросы усиления, предполагающего длительный срок службы усиливаемой конструкции (аварийное и временное усиление не рассматривается).
Усиление конструкций и их элементов в принципе может выполняться одним из следующих способов.
1. После демонтажа конструкций или их отдельных элементов, подлежащих усилению. В этом случае усиление выполняется на специальных стендах, в мастерских или на заводах с последующей установкой в проектное положение. Этот способ имеет ограниченное применение и используется либо при восстановлении конструкций после аварии, либо для усиления отдельных конструктивных элементов, демонтаж которых может быть выполнен сравнительно легко и без ущерба для основной несущей конструкции (например, при усилении подкрановых балок).
2. Без демонтажа конструкций^ после разгрузки их от всех временных и постоянных нагрузок (за исключением нагрузки от собственного веса конструкции). Усиление осуществляется в проектном положении. К такому способу прибегают обычно при полной или частичной реконструкции сооружения, связанной с заменой кровли, стенового ограждения и т. д. Примером может служить усиление стропильных ферм в проектном положении после демонтажа покрытия и несущего кровельного настила.
3. Без демонтажа конструкций в напряженном состоянии. Усиление может осуществляться при действии на конструкции: а) только постоянных нагрузок; б) постоянных и временных длительных нагрузок; в) постоянных, временных длительных и части временных кратковременных нагрузок (при невозможности или нежелательности исключения воздействия последних).
Частным случаем этого способа усиления является частичная разгрузка или пригрузка конструкций в момент усиления с помощью домкратов, монтажных грузов, натяжных приспособлений или иных устройств с целью желаемого регулирования усилий в них.
Усиление конструкций в напряженном состоянии обычно является экономически более выгодным и технически целесообразным, так как предварительная разгрузка вызывает необходимость частичного или полного приостановления производственных процессов в реконструируемом здании, дополнительных затрат на разработку ограждающих и несущих конструкций, удлинение срока производства работ и т. д. Часто усиления требует не конструкция в целом, а лишь отдельные наиболее напряженные (или дефектные) ее участки, элементы или узлы, что подтверждает целесообразность усиления под нагрузкой.
Этот способ представляет собой наибольший интерес и с точки зрения особенностей проектирования и расчета усиления, ибо усиление без нагрузки можно считать частным случаем усиления в напряженном состоянии. В связи с этим ниже в основном будут рассматриваться вопросы усиления конструкций под нагрузкой.
Для повышения несущей способности конструкций и обеспечения их надежной эксплуатации могут быть использованы следующие основные методы: 1) изменение условий эксплуатации конструкций; 2) изменение конструктивной схемы сооружения в целом или отдельных его частей; 3) регулирование усилий в конструкциях; 4) усиление отдельных элементов конструкций и узловых соединений.
Изменение условий эксплуатации конструкций. Этот метод позволяет избежать непосредственного усиления металлоконструкций и осуществляется за счет снижения величин постоянных или временных нагрузок, наложения дополнительных ограничений на эксплуатационные нагрузки или их регулированного перераспределения. Изменение условий эксплуатации может быть достигнуто в результате:
снижения постоянных нагрузок на конструкции заменой тяжелых кровельных настилов, перекрытий, утеплителей, стенового ограждения и т. д. на более легкие; уменьшения технологических нагрузок на конструкции путем изменения расстановки оборудования или ограничения максимальной интенсивности временных нагрузок (если это возможно по технологическим условиям);
ограничения грузоподъемности кранов и тельферов или замены их на более легкие (если это допустимо по условиям эксплуатации);
введения ограничений на сближение мостовых кранов при их совместной работе, обеспечиваемых постановкой на краны соответствующих концевых выключателей и буферных устройств;
установки специальных передающих устройств (типа распределительных балок), изменяющих места передачи нагрузок на конструкции с целью уменьшения в них усилий.
Изменение условий работы конструкций зачастую является эффективным способом обеспечения их дальнейшей надежной эксплуатации без применения трудоемких работ по усилению.
Изменение конструктивной и расчетной схемы сооружения. Этот метод усиления осуществляется, как правило, за счет наложения дополнительных связей на исходную систему и является особенно эффективным при общем увеличении нагрузок на конструкции. Увеличение несущей способности конструкции может быть достигнуто путем: введения дублирующих конструкций, воспринимающих часть общих нагрузок; повышения степени внешней статической неопределимости конструкций за счет подведения дополнительных опор; превращения разрезных конструкций в неразрезные; замыкания шарниров в рамных и арочных конструкциях; установки дополнительных элементов типа подкосов, тяжей, вантовых конструкций и т. д.; повышения степени внутренней статической неопределимости конструкций за счет постановки шпренгелей, затяжек, дополнительных элементов и т. д. введения дополнительных элементов без изменения основных статических свойств исходной конструкции за счет постановки дополнительных шпренгельных элементов решетки, ребер, диафрагм и т. д.; постановки дополнительных связей с целью обеспечения пространственной работы конструкций, их жесткости и устойчивости.
В отдельных случаях при усилении или реконструкции возможно удаление части существующих связей исходной системы (например, превращение жестких узлов в шарнирные, удаление опор, элементов решетки и т. д.). Это может диктоваться либо соображениями улучшения условий работы конструкций, либо эксплуатационными требованиями (пропуск технологических линий, подъездных путей и т. д.).
Регулирование усилий в конструкциях. Этот метод основан на оптимизации условий работы конструкций путем искусственного перераспределения усилий в них для уменьшения напряжений в отдельных элементах или сечениях. Регулирование напряжений при усилении конструкций может осуществляться следующими способами:
подъемом или опусканием опор в неразрезных балочных или рамных конструкциях;
увеличением жесткости отдельных элементов системы;
увеличением степени связности отдельных конструкций системы и обеспечением их совместной (пространственной) работы;
выбором начальной величины эксплуатационных нагрузок, мест приложения, интенсивности и последовательности загружения монтажными нагрузками (пригрузами, силами поддомкрачивания и т. д.), при которых производится усиление, а также последовательностью введения дополнительных опор и элементов при усилении конструкций под нагрузкой;
предварительным напряжением дополнительно вводимых элементов усиления.
Усиление отдельных элементов конструкций и их узлов. Это один из самых распространенных методов, применяемых как самостоятельно, так и в сочетании с другими методами усиления.
Усиление элементов осуществляется увеличением их сечения посредством присоединения и включения в совместную работу элементов усиления с целью повышения жесткости на сжатие, растяжение, изгиб. Усиление узловых соединений осуществляется либо путем увеличения несущей способности существующих сварных, болтовых или заклепочных соединений, либо введением дополнительных элементов, разгружающих усиливаемые соединения.
Как и всякая классификация, приведенное выше разделение методов усиления является в достаточной мере условным. На практике редко применяется в чистом виде один из указанных приемов или методов; они, как правило, используются в комплексе. Например, устройство дополнительных опор, являясь способом изменения схемы конструкции в целом, может сочетаться с одновременным регулированием усилий в ней путем принудительного смещения дополнительной опоры и местным усилением за счет увеличения сечений отдельных элементов конструкции.
Кроме того, отдельные приемы усиления могут быть одновременно отнесены к двум или более методам. Характерным примером является развитие системы связей по нижним поясам ригелей рам каркасного здания: с одной стороны, изменяется конструктивная схема сооружения, а с другой стороны, обеспечивается пространственная работа каркаса и, следовательно, осуществляется регулирование усилий в конструкции.
Таким образом, при проектировании усиления необходим комплексный подход и все перечисленные методы должны рассматриваться в совокупности.
1.2. Схемы усиления стержневых конструкций
Возможности применения различных методов усиления (изменения статической схемы и условий эксплуатации, регулирования усилий и местного усиления и т. д.) условимся рассматривать совместно. Ряд схем основан на введении преднапряженных элементов усиления.
Предварительное напряжение конструкций при усилении может осуществляться с использованием методов, применяемых для обычных предварительно напряженных конструкций, или особых приемов, оговоренных ниже. Спецификой предварительного напряжения конструкций и регулирования усилий в них при усилении является возможность передачи части усилий на смежные конструкции, что должно контролироваться при производстве работ и в необходимых случаях учитываться расчетом.
При усилении конструкций без предварительного напряжения необходимо обеспечить надежное включение элементов усиления в совместную работу с основной конструкцией. Этого можно достичь подклиниванием конструкций, использованием монтажных пригрузов или натяжных устройств малой мощности, обеспечивающих начальное напряжение вводимых в работу элементов до величины порядка 5—10 МПа со знаком, отвечающим знаку возникающих в дополнительных элементах усилий при их последующей работе. Комплекс этих мероприятий в дальнейшем будет именоваться «начальное напряжение элементов усиления» (в отличие от их предварительного напряжения).
Выбор материала элементов усиления зависит от способа усиления и условий работы конструкций. Для предварительно напрягаемых элементов рационально применение сталей повышенной и высокой прочности. Применение сталей повышенной прочности может оказаться эффективным и в случаях усиления без предварительного напряжения при использовании упругопластической стадии работы усиливаемой конструкции. Однако в большинстве случаев элементы усиления целесообразно проектировать из сталей обычной прочности, поскольку они воспринимают усилия только от приращения нагрузок после усиления и при высоком уровне начального нагружения использовать их высокие прочностные свойства не удается.
...