15.3. Расчет металлических конструкций, усиленных увеличением их поперечного сечения

 

Расчет усиления стальных конструкций увеличением их поперечного сечения производится исходя из стадии напряженно-деформированного состояния и принятой гипотезы:

- по упругой стадии – сечение дополнительного элемента усиления воспринимает только усилие от нагрузок, приложенных к конструкции после усиления;

- по пластической стадии – при достижении напряжений в сечении усиливаемого элемента предела текучести происходит перераспределение и выравнивание напряжений с сечением дополнительного элемента.

Схема напряженного состояния металлической балки, усиленной под нагрузкой, приведена на рис. 15.8.

 

Рис. 15.8. Схема напряженного состояния балки, усиленной под нагрузкой:

а – в упругой стадии; б – в пластической стадии

 

Расчет усиления металлических конструкций по пластической стадии дает более экономичные решения, но не для всех случаев разрушения экспериментально подтвержден. Поэтому данный вариант расчета применяется при действии статических нагрузок на усиливаемые элементы при отсутствии опасности потери устойчивости. В остальных случаях расчет производится по упругой стадии.

Расчет усиленных центрально-растянутых и коротких сжатых элементов производится из условий прочности:

- по упругой стадии

 ; (15.1)

- по пластической стадии

 , (15.2)

где   – соответственно продольное усилие, действующее в элементе при его усилении и продольное усилие от дополнительной нагрузки, приложенной после усиления;   – соответственно площадь поперечного сечения основного и дополнительного элементов;   – расчетное сопротивление стали основного элемента;   – коэффициент условий работы элемента конструкции по [11, приложение 4*].

Расчет усиления сжатых элементов по условию устойчивости производится с учетом того, что потеря устойчивости элемента, усиленного под нагрузкой, может произойти только для всего усиленного сечения. Поэтому в расчете используется коэффициент продольного изгиба   , определенный по гибкости элемента после усиления.

Расчет усиленных центрально-сжатых элементов выполняется из условия обеспечения устойчивости

 . (15.3)

Возможные искривления от сварки при проверке устойчивости допускается учитывать с помощью коэффициента условий работы   .

Расчет прочности по крайнему сжатому или растянутому волокнам усиленных изгибаемых элементов производится из условий:

- по упругой стадии для крайнего волокна основного сечения на расстоянии   от центра тяжести основного сечения и расстоянии  от центра тяжести усиленного сечения

 ; (15.4)

- по упругой стадии для крайнего волокна дополнительного сечения

 ; (15.5)

- по пластической стадии

 , (15.6)

где   – соответственно изгибающий момент, действующий в элементе при его усилении и изгибающий момент от дополнительной нагрузки, приложенной после усиления;   – момент инерции поперечного сечения элемента соответственно до усиления и после усиления;   – расчетное сопротивление стали соответственно основного и дополнительного элемента при растяжении или сжатии;   - расстояние от центра тяжести усиленного сечения до крайнего волокна дополнительного элемента;   - пластический момент сопротивления поперечного сечения усиленного элемента, принимаемый не более 1,2 упругого момента сопротивления сечения усиленного элемента.

Для усиленных изгибаемых элементов должно выполняться условие прочности на сдвиг по контакту основного и дополнительного сечения

 , (15.7)

где   – статический момент части сечения дополнительной детали усиления относительно нейтральной оси;   – толщина основного или дополнительного элемента в месте соединения;   – расчетное сопротивление стали срезу основного или дополнительного элемента.

Проверка местной устойчивости стенки балочных конструкций после усиления производится для всех отсеков между поперечными ребрами жесткости без учета начальных напряжений в ней от нагрузки при усилении по методике действующих норм.

Швы, прикрепляющие дополнительные детали усиления к основному сечению усиливаемых элементов, рассчитываются на восприятие сдвигающих усилий, равных предельным усилиям на растяжение или сжатие для дополнительных деталей усиления.

Усиление отдельных элементов металлических конструкций, имеющих погнутости, трещины, вмятины и разрывы сечений, производится, как правило, после их разгружения выравниванием, присоединением дополнительных деталей (рис. 15.9, 15.10.) или заменой поврежденной части (рис. 15.11).

 

Рис. 15.9. Усиление элементов стальных конструкций, имеющих повреждения, накладками: а – из уголка; б – из швеллера с дополнительными соединительными планками; в – из пластины

 

 

Рис. 15.10. Усиление искривленных стальных элементов шпренгелем

 

 

Рис. 15.11. Восстановление элементов стальных конструкций вырезанием и заменой поврежденной части: а – элементов из спаренных уголков; б – элементов из одиночного уголка

Усиление соединений металлических конструкций

Усиление сварных швов производят путем увеличения их длины или толщины.

Стыковые швы не усиливают, так как их высота определяется толщиной стыкуемых элементов и устройство валика шва, выступающего от поверхности элементов, может только ухудшить условия его работы из-за концентрации местных напряжений.

Усиление угловых швов выполняется увеличением их длины (за счет устройства дополнительных лобовых швов или приварки дополнительных ребер, накладок и т.д.) и (или) катета. При этом с целью снижения влияния сварочных напряжений расстояние между элементами узлов сопряжений рекомендуется принимать не менее 40 мм (рис. 15.12, 15.13, а, б).

 

Рис. 15.12. Усиление сварных швов: а – увеличением длины за счет наложения лобового шва; б – увеличением высоты катетов угловых швов: 1 – существующие швы, 2 – дополнительный лобовой шов, 3 – дополнительная наплавка

 

Увеличение толщины шва необходимо производить послойно, наплавляя слой не более 2 мм, начиная с места дефекта усиливаемого шва (подрезы, кратеры, наплывы и т.д.) и используя при этом электроды толщиной не более 4 мм. Усиление последующего шва выполняется после остывания предыдущего до 100°С. Высота катета шва после наплавления не должна превышать: толщины полки со стороны пера, полутора толщин полки профиля со стороны обушка.

Усиление поперечных швов растянутых элементов под нагрузкой не допускается.

При увеличении длины сварных швов соединяемых элементов уголкового профиля дополнительные швы следует накладывать в направлении уже существующих, начиная от края фасонки со стороны обушка.

22-2

Расчет усиленных сварных швов производится без учета начальных напряжений от нагрузки при усилении.

     

 

Рис. 15.13. Усиление узловых соединений: а, б – сварных; в – клепаных: 1 – дополнительные швы, 2 – накладки, 3 – дополнительные фасонки, 4 – дополнительные ребра, 5 – дополнительные высокопрочные болты

 

Усиление заклепочных и болтовых соединений при ослабевании стяжки пакета деталей производится увеличением количества заклепок и болтов (рис. 15.13, в) или их заменой высокопрочными болтами с предварительным напряжением путем закручивания гаек тарировочными ключами. Натяжение высокопрочных болтов выполняют от середины узла к краям. В ряде случаев усиление заклепочных и болтовых соединений производится заменой их сваркой.

Расчет высокопрочных болтов и сварных швов усиленных заклепочных и болтовых соединений, сочетающих после усиления заклепки («черные» болты) и высокопрочные болты (сварные швы), из-за разной деформативности производится на полное усилие после усиления.