УСТРОЙСТВО ДЛЯ УСИЛЕНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ С ПОМОЩЬЮ КОМПОЗИЦИОННОЙ НАПРЯГАЕМОЙ АРМАТУРЫ
DEVICE TO REINFORCE BUILDING STRUCTURES USING COMPOSITE STRESSED REINFORCEMENT

Область техники
Изобретение относится к области строительства, а именно к усилению строительных конструкций, преимущественно железобетонных, при их ремонте и реконструкции. В наши дни к несущим строительным конструкциям предъявляются все более высокие требования вследствие постоянно растущих нагрузок и воздействий химических реагентов и прочих активных веществ. В основе усиления строительной конструкции, обеспечиваемого предлагаемым устройством, лежит принцип предварительного напряжения, заключающийся в приложении усилий на конструкцию, с целью ее деформации, таким образом, чтобы конструкция могла эффективнее или с меньшим суммарным прогибом выдерживать рабочие нагрузки. Поскольку в настоящее время реконструкция и усиление строительных конструкций требуют больших временных и финансовых затрат, на первый план выходят современные технологии, которые позволяют производить работы без вывода из эксплуатации строительного сооружения. Такие технологии предусматривают использование специальных устройств для усиления строительной конструкции, конструктивные особенности которых позволяют осуществлять монтажные работы без прерывания процесса эксплуатации.
Уровень техники
Известно устройство для усиления строительной конструкции, содержащее две концевые анкерные головки, каждая из которых состоит из основания, монтируемого на конструкции, и установленного на основании анкерного узла. В анкерных узлах закрепляется своими концами длинномерная стальная лента (см. JP 52130127 A). При использовании в известном устройстве, для создания предварительного напряжения, с целью усиления строительной конструкции, длинномерной ленты из стали, проявляются следующие недостатки: значительный вес лент, затрудняющий манипулирование лентой при ее монтаже; ощутимая потеря предварительного напряжения из-за низкой начальной деформации удлинения; имеется риск коррозии.
В последние годы, вследствие указанных недостатков, проявляющихся при применении лент из стали, наметилась тенденция перехода к использованию длинномерных жгутов и лент из композиционных материалов на основе высокопрочного искусственного волокна. В качестве примера такого использования можно привести устройство для усиления конструкции моста по KR 100757198 (B1), в котором также имеются две концевые анкерные головки, монтируемые на конструкции моста, и закрепленные в них своими концами и расположенные параллельно друг другу жгуты из материала на основе искусственного волокна. Однако использование вместо лент нескольких параллельно расположенных длинномерных жгутов значительно затрудняет получение равномерного и одинакового натяжения всех жгутов и возможность поддержания такого натяжения в процессе эксплуатации. Жгуты с большей вероятностью подвержены разрушениям, в процессе эксплуатации конструкций, по сравнению с лентами. Процесс протягивания и закрепления нескольких жгутов является более трудоемким по сравнению с закреплением длинномерной ленты.
Ближайшим аналогом к заявляемому изобретению является устройство для усиления конструкций фирмы Sika Services AG, представленное в проспекте «Системы предварительного напряжения для усиления конструкций с помощью лент (ламелей) из углепластика Sika CarboDur», 2008 г.
Устройство усиления конструкций включает ленту из углепластика, анкерные узлы, содержащие опорные пластины, закрепленные на железобетонной балке, и накладную пластину для зажима концов ленты. Кроме того, один из анкерных узлов выполнен с возможностью подсоединения к приспособлению для натяжения длинномерной ленты в продольном направлении, выполненному в виде гидравлического домкрата.
Недостатком известного устройства является то, что оно сложно и трудоемко при монтаже, имеет недостаточную надежность из-за жесткого закрепления концов ленты при наличии деформаций балок в эксплуатации.
Сущность изобретения
Задачей изобретения является разработка устройства для усиления строительной конструкции арматурой из полимерного композиционного материала на основе высокопрочных искусственных волокон, обеспечивающего уменьшение затрат на монтаж и эксплуатацию.
Кроме того, устройство должно обладать повышенной надежностью в работе, увеличенным сроком службы.
Поставленная задача достигается тем, что в устройстве усиления конструкций с помощью лент из композиционного материала, содержащем ленту из композиционного материала, концы которой связаны с анкерными узлами, содержащими опорные пластины, закрепленные на железобетонной балке, накладные пластины для зажима концов ленты, при этом один из анкерных узлов выполнен с возможностью подсоединения к системе натяжения длинномерной ленты в продольном направлении, лента из композиционного материала снабжена установленными на ней концевиками, связанными с кронштейнами, установленными на опорных пластинах анкерных узлов, а связь концевиков с кронштейнами выполнена в виде шарнирных соединений, допускающих поворот концов ленты относительно балки при ее деформациях.
Кроме того, один из концевиков ленты выполнен с проушиной, несущей кардан, подсоединенный другим концом к проушине кронштейна одного анкерного узла, а другой концевик выполнен с резьбовым отверстием под резьбовой стержень, проходящий с зазором через отверстие кронштейна другого анкерного узла, при этом резьбовой стержень одним концом ввинчен в резьбовое отверстие концевика, а на другом конце несет шайбы, гайку и контргайку для фиксации его относительно кронштейна.
Более того, концевики выполнены с плоскими площадками и снабжены накладными пластинами для закрепления на ленте с помощью болтов, при этом на зажимных поверхностях накладных пластин и плоских площадок соответственно выполнены бороздки, проходящие в направлении, перпендикулярном продольной линии длинномерной ленты, и расположенные параллельно друг другу и предпочтительно с одинаковым шагом между ними.
Такое выполнение устройства позволяет улучшить его эксплуатационные характеристики.
Перечень чертежей
Изобретение поясняется чертежами, где
на фиг.1 изображено предлагаемое устройство в аксонометрии в положении его установки на железобетонной строительной конструкции;
на фиг.2 - один из анкерных узлов устройства, продольный разрез;
на фиг.3 - второй анкерный узел устройства, продольный разрез;
на фиг.4 - вид по А-А на фиг.2;
на фиг.5 - вид Б фиг.2.
Осуществление изобретения
Заявляемое устройство реализуется следующим образом.
Устройство усиления конструкций с помощью лент из композиционного материала содержит ленту из композиционного материала, концы которой связаны с анкерными узлами, содержащими опорные пластины, закрепленные на железобетонной балке, накладные пластины для зажима концов ленты, при этом один из анкерных узлов выполнен с возможностью подсоединения к системе натяжения длинномерной ленты в продольном направлении.
Лента из композиционного материала снабжена установленными на ней концевиками, связанными с кронштейнами, установленными на опорных пластинах анкерных узлов, а связь концевиков с кронштейнами выполнена в виде шарнирных соединений допускающих поворот концов ленты относительно балки при ее деформациях. Шарнирные соединения концевиков с кронштейнами могут быть выполнены любым известным способом. Например, они могут быть выполнены в виде универсальных шаровых шарниров.
Целесообразно, чтобы один из концевиков ленты был выполнен с проушиной, несущей кардан, подсоединенный другим концом к проушине кронштейна одного анкерного узла, а другой концевик был выполнен с резьбовым отверстием под резьбовой стержень, проходящий с зазором через отверстие кронштейна другого анкерного узла, при этом резьбовой стержень одним концом ввинчен в резьбовое отверстие концевика, а на другом конце несет шайбы, гайку и контргайку для фиксации его относительно кронштейна.
Кроме того, концевики выполнены с плоскими площадками и снабжены накладными пластинами для закрепления на ленте с помощью болтов, при этом на зажимных поверхностях накладных пластин и плоских площадок соответственно выполнены бороздки, проходящие в направлении, перпендикулярном продольной линии длинномерной ленты, и расположенные параллельно друг другу и предпочтительно с одинаковым шагом между ними.
Конкретный пример выполнения изобретения
Предлагаемое устройство содержит два концевых анкерных узла 1 и 2 (см. Фиг.1, 2), которые монтируются на строительной железобетонной конструкции (балка 3), и длинномерную ленту 4 из полимерного композиционного материала.
Анкерный узел 1 состоит из опорной пластины 5 и анкерного крепления (Фиг.2). Опорная пластина 5 монтируется на железобетонной балке 3 с помощью анкеров и несет кронштейн 10, выполненный с проушинами для подсоединения ленты 4.
Анкерный узел 2 состоит из опорной пластины 15 и анкерного крепления (Фиг.2). Опорная пластина 15 монтируется на железобетонной балке 3 с помощью анкеров. На опорной пластине 15 установлены держатель 23, выполненный с отверстием для подсоединения ленты 4, и упор 24 для установки домкрата 43.
Лента 4 несет на своих концах концевики 11 и 20. Концевик 11 на одном конце несет проушину, а на другом конце выполнен с плоской площадкой 7 для закрепления конца ленты. К проушине концевика 11 подсоединен кардан 13, связанный другим концом с проушиной кронштейна 10.
Концевик 20 выполнен на одном конце с плоской площадкой 17 для крепления ленты 4 и резьбовым отверстием 21 под резьбовой стержень 22 на другом конце. Резьбовой стержень 22 проходит через отверстие 25 держателя 23 с зазором. Резьбовой стержень 22 одним концом ввинчен в резьбовое отверстие концевика 20, а на другом конце несет шайбы 28, 29 и гайку 39 и контргайку 40 для фиксации его в держателе 23 и шайбы 45, 46 и гайку 47 и контргайку 48 для фиксации перемычки 44.
Резьбовой стержень упирается в поверхность 27 стенки держателя 23 через блок из двух соосно расположенных опирающихся друг на друга шайб 28, 29. Непосредственно к поверхности 27 стенки держателя 23 примыкает шайба 28 (Фиг.5), которая при этом несколько «утоплена» в гнезде 30, выполненном в указанной стенке. Расположение шайбы 28 в гнезде 30 обеспечивает необходимое центрирование крепежного узла по оси. Поверхности соприкосновения шайб 28, 29 выполнены сферическими, обеспечивающими возможность взаимодействия указанных шайб по типу внешнего и внутреннего колец сферического упорного подшипника скольжения. Поверхность 32 шайбы 28 может иметь также коническую форму. Такое выполнение обеспечивает возможность проворота шайбы 29 в гнезде шайбы 28 в любых плоскостях, проходящих через ось стержня 22 при его смещении.
Длинномерная лента 4 выполнена из углепластика или стеклопластика или из базальтопластика. Предпочтительный материал ленты - углепластик, который является наиболее устойчивым к механическому и химическому воздействию. Концы длинномерной ленты 4 закреплены на концевиках 11 и 20 с помощью накладных пластин 8, 18 и болтов 9, 19 соответственно. Один из концов ленты 4 закреплен между зажимными поверхностями 33 и 34 площадки 7 и накладной пластины 8, а другой конец - между зажимными поверхностями 35 и 36 площадки 17 и накладной пластины 18. Для более надежного удержания концов ленты 4 на зажимных поверхностях накладных пластин и плоских площадок 8, 7 и 18, 17 соответственно выполнены бороздки 37 (Фиг.4). Бороздки 37, 38 проходят в направлении, перпендикулярном продольной линии длинномерной ленты 4, и расположены параллельно друг другу и предпочтительно с одинаковым шагом. Параметры бороздок 37 выбираются таким образом, чтобы, с одной стороны, зажимные поверхности пластин надежно удерживали концы ленты 4, а с другой - чтобы бороздки не разрушали материал ленты. Предпочтительно, высота бороздок составляет 0,5 мм, а шаг между соседними бороздками - 0,6 мм. Для каждой пары пластин (7, 8 и 17, 18) вершины 38 выступов остроконечных бороздок 37 могут быть расположены одна над другой, т.е. в одной плоскости, перпендикулярной продольной линии длинномерной ленты 4.
Порядок сборки устройства
На строительную железобетонную конструкцию (на балку 3) устанавливают опорные пластины 5 и 15. На концевик 20 прикручивают резьбовой стержень 22 и затягивают его. Концы углепластиковой ленты 4 помещают соответственно между зажимными поверхностями накладных пластин 7, 8 и плоских площадок 17, 18 анкерных узлов 6 и 16. Прижимают пластины к концам ленты и затягивают их болтами 9 и 19 соответственно. На концевик 11 устанавливают кардан 13. На основание 15 устанавливают держатель 23 и упор 24. На основание 5 устанавливают кронштейн 10. Кардан 13 соединяют с кронштейном 10 болтовым креплением 14. Стержень 22, установленный в концевике 20, пропускают через отверстие в держателе 23. На стержне 22 устанавливают шайбы 28, 29 и заворачивают гайку 39 и контргайку 40, образующие головку 26. На стержень 22 устанавливают перемычку 44, шайбы 45 и 46 и заворачивают гайку 47 и контргайку 48. К перемычке 44 подсоединяют тяги 41 и балку 42. На упор 24 устанавливают пластину 49 при помощи болтов 50. Для натяжения ленты 4 устанавливают домкрат 43. Домкрат, упираясь в балку 42, натягивает ленту. Размер домкрата при максимально выдвинутом штоке 400 мм. После натяжения ленты 4 с помощью домкрата 43 на стрежне 22 затягивают гайку 39 и контргайку 40. Снимают давление с домкрата 43. Убирают домкрат. Снимают упор 24, гайку 47 и контргайку 48 с шайбами 45 и 46, перемычку 44 с тягами 41 и балкой 42.
В процессе натягивания ленты 4 домкратом 43 происходит деформация железобетонной балки 3. Анкерные узлы начинают поворачиваться, и, как следствие, лента 4 испытывает нагрузки от изгибающего момента, который может привести к разрушению ленты.
Для того чтобы исключить негативное влияние указанного момента, в предлагаемом устройстве применена система безмоментного натяжения. Для этого используется пара шайб 28, 29 и карданное крепление. Вставленные одна в другую шайба 29 со сферическим основанием и шайба 28 со сферическим или коническим гнездом под шайбу 29 обеспечивают, при действии возникающего изгибного момента, поворот стержня крепежного элемента на необходимый угол. Поворот крепежного элемента и поворот карданного крепления позволяют устранить действие изгибных нагрузок на крепежный узел и на ленту как при монтаже, так и при эксплуатации железобетонной балки 3. Выполнение на зажимных поверхностях 33, 34 и 35, 36 пластин 7, 8 и 17, 18 элементов, обеспечивающих надежное сцепление указанных поверхностей с соответствующим концом длинномерной ленты гарантированно препятствует выскальзыванию концов ленты из анкерных узлов.
Такое выполнение устройств усиления конструкций позволяет снизить трудоемкость их монтажа, обеспечить возможность доработки существующих строительных конструкций в эксплуатации.
Применение таких устройств позволяет увеличить несущую способность строительных конструкций в 1,8-2 раза.