2. Усиление железобетонных конструкций

2.1. Основные способы усиления бетонных и железобетонных конструкций

Существуют два основных метода усиления железобетонных конструкций:

-  наращиванием сечений в виде набетонок, обойм и рубашек. Набетонка выполняется с одной стороны, обойма - с четырёх, рубашка - с трёх сторон;

-  разгружающими конструкциями с изменением статической схемы работы.

Первый метод требует остановки производственного процесса, а также частичной разгрузки конструкций с целью последующего загружения и включения в работу наращенных элементов. Метод отличается большой трудоёмкостью выполнения, так как связан с мокрыми процессами бетонирования и требует дополнительного времени для набора прочности бетона, хотя и является универсальным методом усиления для железобетонных конструкций.

Второй метод предусматривает включение разгружающей конструкции в совместную работу с усиливаемой конструкцией непосредственно в ходе её установки и не требует остановки производства, что часто является важным фактором.

При ремонте защитного слоя бетона предусматриваются следующие виды работ: заделка отдельных выколов и раковин; замена или восстановление защитного слоя (частичная или сплошная) [9].

При сплошной замене толщина защитного слоя может быть увеличена, но во всех случаях должна быть не менее 3 см в свету для рабочей арматуры и не менее 2 см для хомутов и нерабочей арматуры. Замена защитного слоя бетона производится в тех случаях, когда его свойства понижены, арматура поражена коррозией или защитный слой бетона отслаивается. В этих случаях старый защитный слой подлежит полному удалению, а арматура должна быть очищена от ржавчины. Для укладки нового защитного слоя рекомендуется обычный бетон, но с мелкими фракциями.

Железобетонные рубашки рекомендуется устраивать при значительных разрушениях поверхностного слоя бетона конструкции с целью предохранения сооружения от дальнейшего разрушения.

Для заделки незначительных по протяженности повреждений защитного слоя применяются ручные приемы штукатурных работ с использованием мастерка. Уложенный бетон (раствор) примерно через час смачивают водой, присыпают сухим цементом и заглаживают с помощью кельмы, деревянной или металлической гладилками. При этом глубина выколотых участков, подготавливаемой к ремонту поверхности, не должна сходить на нет к краю выкола, она везде должна быть не менее 1 см. Переход места выкола к неповрежденному защитному слою должен быть сделан ступенькой под углом 90°.

При большом объеме работ наиболее эффективным способом нанесения бетонов является торкретирование, при котором достигается получение очень плотного прочного защитного слоя.

При подготовке поверхности к бетонированию одиночные трещины с шириной раскрытия свыше 1 мм разделываются в виде прямоугольника на глубину и зачеканиваются бетоном. В местах больших отколов бетона и обнажения арматуры устанавливают дополнительную армирующую сетку с размером ячеек от 2,5 до 10 см и диаметром проволоки от 0,5 до 6 мм с прикреплением вновь устанавливаемых сеток к основной арматуре конструкции.

Для увеличения сил сцепления между новым и старым бетоном рекомендуется применять прослойку из эпоксидно-тиоколового клея K-153. При восстановлении защитного слоя с применением эпоксидно-тиоколовой прослойки бетон должен быть уложен до потери липкости клея.

В зависимости от степени развития трещин применяются следующие способы ремонта конструкций:

-  устройство защитных пленок и покрытий для ремонта трещиноватых поверхностей, имеющих трещины раскрытием до 0,2 мм;

-  герметизация трещин (заполнение их водонепроницаемыми эластичными материалами) для ремонта конструкций, имеющих трещины раскрытием более 0,3 мм;

-  поверхностная заделка трещин (устройство герметизирующей накладки, перекрывающей трещину и усиливающей сечение с трещиной) для ремонта конструкций, имеющих сквозные трещины с раскрытием более 0,2 мм;

-  прочностная заделка (омоноличивание полости трещины клеющим составом) для ремонта конструкций с трещинами раскрытием более 0,3 мм. Покрытие ремонтируемых поверхностей пленками предназначается для защиты бетона и поверхности конструкции от атмосферной и химической коррозии.

Устройство защитных пленок и покрытий осуществляется путем окраски бетонной поверхности полимерцементными красками или синтетическими лаками.

Герметизация трещин высокоэластичными материалами без восстанов-ления монолитности конструкции предназначается для закрытия доступа влаги и других агентов, вызывающих коррозию, к арматуре, обеспечивая ее сохранность. Герметизация трещин эластичными материалами в виде мастики производится с помощью шприцев.

Прочностная заделка рекомендуется при необходимости одновременно с ликвидацией трещин восстановить монолитность конструкции. Прочностная заделка может быть выполнена с помощью инъецирования эпоксидного состава или цементного раствора в полость трещины. До инъецирования должны быть устроены отверстия и установлены в них ниппели, через которые производится подача клеющего состава. После установки ниппелей трещина по поверхности бетона герметизируется с помощью наклейки стеклоткани, предотвращающей вытекание клеющего состава. Инъецирование начинается с нижнего ниппеля.

Наиболее распространенным способом усиления конструкций является увеличение сечений путем устройства всесторонних обойм или односторонним наращиванием. Этот способ позволяет получить значительное увеличение несущей способности как целых, так и сильно поврежденных элементов. При усилении железобетонных конструкций односторонним увеличением сечения дополнительная арматура приваривается к старой при помощи отгибов, коротышей, наклонных и вертикальных хомутов. Приварку хомутов и коротышей рекомендуется производить при помощи электросварки двойными фланговыми швами.

При наличии местных повреждений в виде одиночных или сконцентрированных на небольшой длине трещин производится местное усиление конструкции по одному из следующих способов: устройство местных хорошо армированных хомутами, отогнутой и продольной арматурой четырехсторонних обойм из железобетона; устройство металлических обойм из вертикальных напрягаемых хомутов.

При наличии вертикальных или косых трещин под хомутами располагаются продольные распределительные уголки, охватывающие поврежденную часть балки. Хомуты покрываются торкретбетоном по металлической сетке или обетонируются.

При усилении колонн обойма армируется продольными стержнями и хомутами или спиральной арматурой. Обойма может быть забетонирована в опалубке или заторкретирована, толщина стенок при обычном бетонировании должна быть не менее 10 см и при торкретировании - 5 см. Углы усиливаемой колонны рекомендуется скалывать. Вверху и внизу колонны на длине, равной наибольшему размеру поперечного сечения колонны, шаг хомутов уменьшается вдвое. При наличии местных повреждений или дефектов у колонн усиливающая обойма может устраиваться в пределах поврежденного участка с перепуском в обе стороны на длину 50 см, но не менее большего размера поперечного сечения.

При усилении железобетонных конструкций наращиванием элементов необходимо со стороны сечения, предназначенной для усиления, сколоть в местах приварки защитный слой бетона и обнажить продольные стержня существующей арматуры до половины их сечения.

После этого поверхность бетона промывается струей воды под напором. Если по каким-либо причинам создать напор не представляется возможным, поверхность бетона после насечки зубилом и обработки щеткой продувается воздухом, чтобы на ней не осталось пыли, и промывается водой.

Поверхность бетона должна влажной вплоть до момента, когда на нее будет нанесен слой нового бетона. Непосредственно перед бетонированием с горизонтальных поверхностей старого бетона должны быть удалены лужицы воды. После этого поверхность бетона покрывается слоем пластичного цементного раствора состава 1:2 толщиной 1-2 мм. Новый бетон должен укладываться не позднее чем через 1,5 часа после укладки раствора.

Обнаженные стержни арматуры должны тщательно очищаться стальными щетками, пескоструйкой и др. способом от загрязнения, ржавчины или окалины. При значительном повреждении стержней старой арматуры коррозией пленка поражения удаляется зубилом или молотком, после чего производится очистка стальной щеткой и подварка новой арматуры. Перед бетонированием стержни арматуры окрашиваются цементным раствором 1:2 толщиной слоя 1-2 мм.

Соединения стальных арматурных стержней (рис. 2.1), имеющие повреждение существующей арматуры коррозией или перенапряжение арматуры, устраняются следующим образом:

Рис. 2.1 Соединение арматурных стержней на сварке при усилении: а, б - с помощью накладок; в - внахлестку; 1 - рабочий стержень; 2 - стыковая накладка; 3 - сварной шов

Опалубка должна конструироваться, таким образом, чтобы была обеспечена возможность постепенного ее наращивания по высоте усиливаемых балок и колонн. При конструировании опалубки должны предусматриваться необходимые зазоры и отверстия в ней, а также специальные лотки для укладки бетона и его уплотнения. За уложенным бетоном или нанесенным слоем торкретбетона обеспечивается соответствующий температурно-влажностный уход.

Усиление сжатых элементов

Усиление железобетонных колонн (рис. 2.2) с недостаточной несущей способностью в результате разрушения бетона и значительной коррозии арматуры, потери несущей способности арматуры производят путем изготовления железобетонной обоймы или наращиванием.

Рис. 2.2 Усиление железобетонных колонн: а - железобетонной обоймой; б - наращиванием сечения; 1 - усиливаемая колонна; 2 - дополнительная продольная арматура усиления; 3 - заполнить бетоном; 4 - дополнительная поперечная арматура усиления в виде спирали; 5 - существующая продольная арматура колонны; 6 - соединительные стержни на сварке; 7 - дополнительная поперечная арматура усиления колонн

Для усиления, по рис. 2.2 а, устанавливается дополнительная рабочая арматура (2) и дополнительная поперечная арматура в виде спирали (4) диаметром не менее 6 мм, при этом предварительно скалывается защитный слой, не менее чем на диаметр рабочей арматуры. Расстояние между витками спирали в осях принимается 50-70 мм. Спираль охватывает всю рабочую арматуру усиления и существующую продольную арматуру колонны. После установки арматуры колонну бетонируют в опалубке или с помощью торкретирования.

При усилении колонны способом наращивания сечения (рис. 2.2 б) сначала скалывают защитный слой не менее чем на 0,5 диаметра арматуры. Затем через специальные соединительные (6) стержни, выполненные из арматуры диаметром 10-40 мм и длиной от 50 до 200 мм, соединяют с помощью сварки существующую арматуру с арматурой усиления (2). К новой арматуре приваривают также поперечные стержни с шагом не более 500 мм и не более 20 диаметров продольной арматуры.

После установки арматуры производят бетонирование сечения.

Усиление железобетонных колонн стальной обоймой (рис. 2.3) при снижении несущей способности из-за различных повреждений осуществляют с помощью преднапряженных распорок (рис. 2.3 а), которые включаются в совместную работу с усиливаемой колонной, что позволяет осуществлять конт-роль за степенью их состояния. В этом случае следует предусматривать мероприятия по обеспечению устойчивости покрытия и технике безопасности.

Рис. 2.3 Усиление железобетонных колонн стальной обоймой: а - усиление с помощью напрягаемых распорок из уголков в момент изготовления и готовом виде; б - усиление части колонны стальной обоймой из уголков в месте разрушения; 1 - усиливаемая колонна; 2 - уголки; 3 - крепежные монтажные болты; 4 - соединительные планки; 5 - натяжные монтажные болты; 7 - срубленный бетон до рабочей арматуры; 8 - закладная деталь усиления; 9 - коротыш, привариваемый к рабочей арматуре 10

Изготовляют распорки из уголков. С помощью крепежных болтов (3) ус-танавливаются уголки (2) на колонну. Установку их производят с перегибом в середине высоты, упирая верхние и нижние концы в достаточно прочные конструкции (фундаменты, балки перекрытия). На концах уголков устраиваются упоры (4).

Ввод в напряженное состояние распорок осуществляют выпрямлением их с помощью натяжных болтов (5) до вертикального положения. Фиксируют распорки в напряженном состоянии поперечными планками. Впоследствии вырезы в уголках усиливают накладками.

Усиление частично поврежденной колонны может осуществляться стальной обоймой (рис. 2.3 б) на неполную длину колонны. Обойму изготавливают из уголков, соединенных планками с приваркой их к закладным деталям (8). Закладные детали (8) обязательно должны быть приварены сварным швом к рабочей арматуре железобетонной колонны.

Дополнительное крепление вертикальных стальных связей к железобетонным колоннам (рис. 2.4) при недостаточной несущей способности колонн, необходимости крепления других конструкций при реконструкции производится установкой стального хомута, сваренного из стальных пластин. Сборка хомута производится на стяжных болтах, а крепление связей осуществляют к приваренной к хомуту фасонке.

Рис. 2.4 Дополнительное крепление вертикальных стальных связей к железобетонным колоннам: 1 - железобетонная колонна; 2 - хомут; 3 - вертикальные стальные связи; 4 - стяжные болты; 5 - фасонка для крепления связей

Усиление фундаментов выполнением обойм из бетона или железобетона и увеличением опорной площади (рис. 2.5) при недостаточной несущей способности фундамента, превышении расчетного давления на основание и неравномерных осадках фундамента производят путем наращивания существующего фундамента (7), предварительно откопав его до основания. В старом фундаменте устраивают шпонки (4) или вырубают штрабу, обеспечивающие совместную работу старого и нового бетона. Стальные стяжки (6) связывают старый фундамент с железобетонной обоймой (2). Размер шпонок по высоте принимается исходя из обеспечения передачи поперечных усилий от обоймы существующему фундаменту.

Рис. 2.5 Усиление кирпичного или бетонного фундамента: а - ленточного кирпичного фундамента; б - отдельного железобетонного фундамента; 1 - стена; 2 - железобетонная обойма; 3 - продольная арматура; 4 - шпонки; 5 - щебень, втрамбованный в грунт; 6 - стальные стяжки; 7 - существующий фундамент; 8 - новая арматура; 9 - новый бетон; 10 - поверхность вырубки существующего фундамента; 11 - колонна

Усиление изгибаемых элементов

Для стыка существующей и новой арматуры усиления используются сты-ковые накладки или применяются соединения внахлестку. В сварных швах принимается: толщина шва 0,25d, ширина шва - 0,5d. Сечение стыковой накладки должно быть равнопрочным со стыкуемым стержнем.

Усиление сборных железобетонных плит (рис. 2.6), имеющих в полках ребристой плиты разрушенного на всю ее толщину бетона или отсутствие сцепления рабочей арматуры с бетоном, обнажение стержней рабочей арматуры выполняется следующим образом: при наличии в многопустотной плите (рис. 2.6 а) разрушенного бетона нижней полки для ее усиления в пустотные каналы устанавливаются дополнительные арматурные каркасы (3) с последующим замоноличиванием бетоном этих каналов. Количество каркасов и замоноличиваемых пустотных каналов зависит от степени повреждения плиты и нагрузки на нее. При усилении ребер сборных плит бетонируют швы между плитами с установкой в них арматурных каркасов (6) (рис. 2.6 б). Усиление также осуществляется односторонним наращиванием (рис. 2.6 в) с установкой дополнительной арматуры (7), привариваемой на сварке к существующей через коротыши (8) диаметром 10-40 мм с шагом от 200 до 1000 мм.

Рис. 2.6 Усиление ребер сборных плит: а - замоноличиванием дополнительных каркасов в пустотных каналах; б - бетонированием шва между плитами; в - односторонним наращиванием снизу; 1 - многопустотная панель; 2 - борозда, пробитая в полке вдоль пустотного канала; 3 - дополнительный арматурный каркас; 4 - монолитный бетон; 5 - усиливаемая плита; 6 - усиление в шве; 7 - дополнительная арматура; 8 - коротыши; 9 - арматура ребер плиты

Усиление опор сборных железобетонных плит (рис. 2.7), имеющих недостаточную площадь опирания сборных плит, выполняется путем устройства дополнительных стальных опорных элементов (3).

На промежуточных опорах (рис. 2.7 а) металлические балки элемента усиления (3) выступают в обе стороны от опоры и являются общими для плит смежных пролетов.

Продольные ребра смежных плит опираются на общую траверсу дополнительных опорных элементов (4).

На крайних опорах (рис. 2.7 б) дополнительные опорные элементы выступают в одну сторону и имеют большой вылет. Они притягиваются к плите анкерными болтами (6).

Рис. 2.7 Усиление опор сборных плит: а - усиление на средних опорах; б - усиление на крайних опорах; 1 - существующая плита; 2 - балка; 3 - металлическая балка усиления; 4 - поперечная траверса; 5 - уголки анкера; 6 - болты анкера

Усиление верхней полки железобетонных балок (рис. 2.8), имеющей недостаточную несущую способность, повреждения с обнажением арматуры верхней полки, производится путем наращивания железобетоном (рис. 2.8 а, б) и с помощью стальной обоймы (рис. 2.8 в).

Дополнительная продольная арматура «наращиваний» связывается с су-ществующей продольной арматурой свесов при помощи коротышей или хомутов. Бетонирование производится в опалубке с тщательным уплотнением бетона.

Стальная обойма представляет собой два швеллера (4), охватывающих по бокам свесы верхней полки, прижатые к ним с помощью болтов (5). Пространство между швеллерами над верхней гранью полки тщательно замоноличивается.

Рис. 2.8 Усиление верхней полки железобетонных балок: а - трехстороннее наращивание верхней полки; б - наращивание полки по верху; в - усиление стальными конструкциями; 1 - дополнительный каркас; 2 - бетон на мелком щебне; 3 - каркас набетонки, связанный с верхней арматурой балки; 4 - швеллеры; 5 - стяжные болты; 6 - отверстие для болта в стенке балки

Усиление железобетонных балок (рис. 2.9), имеющих глубокие и значительные повреждения железобетонных конструкций с обнажением арматуры и с утратой ее сцепления с бетоном, производится односторонним наращиванием сечения со стороны растянутой зоны (рис. 2.9 а, в).

Дополнительная продольная арматура (4) связывается с существующей арматурой усиливаемой балки при помощи соединительных элементов (2) или коротышей.

Применяют соединительные элементы (2) диаметром 10-30 мм; коротыши (5) диаметром 10-40 мм с шагом 200-1000 мм.

После проведения сварочных работ производится подготовка поверхности и бетонирование наращиваемого сечения.

Рис. 2.9 Усиление железобетонных балок: а, в - односторонним наращиванием; г, б - детали вариантов приварки арматуры усиления; 1 - усиливаемая балка; 2 - соединительные элементы; 3 - арматура усиливаемой балки; 4 - дополнительная рабочая арматура; 5 - коротыши; 6 - бетон усиления; 7 - скалываемый бетон

Усиление тавровой балки стальными шпренгелями (рис. 2.10) при снижении несущей способности балки вследствие коррозии бетона и арматуры выполняется путем установки на торцах балки анкерного устройства, к которому привариваются расчетным сварным швом затяжки шпренгеля. На балке в уровне затяжки устанавливают прокладки из двух уголков. Напряжение затяжек осуществляют с помощью двух талрепов.

Рис. 2.10 Усиление железобетонных балок стальным шпренгелем: 1 - железобетонная балка; 2 - стальные затяжки шпренгеля; 3 - изолирующая прокладка

Усиление растянутых элементов решетки железобетонных ферм (рис. 2.11), имеющих значительные повреждения растянутых элементов ферм, снижающие их несущую способность, производится предварительно напряженными затяжками (2).

Крепление затяжек в узлах может быть осуществлено приваркой к фасонкам, закрепленным болтами и хомутами (рис. 2.11, узел А), или приваркой к уголкам, притянутым анкерными болтами к поясу фермы (рис. 2.11, узел Б).

При напряжении затяжек (2) гайками концы затяжек с резьбой выполняют из коротышей диаметром, превышающим диаметр затяжек на 4 мм. Соединение коротышей с затяжкой необходимо выполнять с помощью сварки при соблюдении условия равнопрочности стыка основному металлу сечения затяжки. Высота натяжных гаек должна быть не менее 1,5 диаметра резьбы.

Рис. 2.11 Усиление растянутых элементов решетки ферм: 1 - сжатый пояс; 2 - предварительно напряженные затяжки; 3 - элементы анкерных устройств; 4 - болт; 5 - анкерный болт

Усиление железобетонной балки прямоугольного сечения стальными шпренгелями (рис. 2.12) при снижении несущей способности балки вследствие коррозии бетона и арматуры выполняется путем установки на торцах балки (в опорных узлах) анкерных устройств, к которым привариваются расчетным сварным швом затяжки шпренгеля.

Рис. 2.12 Усиление железобетонной балки стальным шпренгелем: 1 - усиливаемый элемент; 2 - стальные уголки; 3 - металлические планки