СПОСОБ ПОЛНОЙ РАЗГРУЗКИ АВАРИЙНОЙ ЖЕЛЕЗОБЕТОННОЙ КОНСОЛИ КОЛОННЫ
METHOD OF COMPLETE RELIEF OF COLUMN REINFORCED CONCRETE CANTILEVER

Предполагаемое изобретение относится восстановлению работоспособности конструкций промышленных и гражданских зданий и к гашению динамики воздействий колес мостовых кранов.
При обследовании турбинного цеха ТЭЦ-1 г.Пензы, эксплуатирующейся в течение 68 лет, выявлены аварийные консоли колонн, поврежденные коррозией железобетона и арматуры.
Консоли утратили работоспособность от коррозии бетона и арматуры и не обеспечивают достаточную прочность при демонтаже двумя мостовыми кранами в сцепке старой турбины массой 100 т и перемещении новой турбины к месту монтажа.
При действии расчетных опорных реакций смежных подкрановых балок на аварийную консоль колонны была велика вероятность обрушения ее вместе с подкрановой балкой и мостовым краном.
дин
Колеса мостовых кранов воздействуют на подкрановые конструкции, и колонны каркаса динамически и это усугубляет опасность обрушения аварийных консолей [1, Т1, с.68, табл.1.2.22.]. Коэффициент динамики воздействий в некоторых случаях достигает величины К=1,6!
К сожалению, мостовые краны, со времени их появления в конце 18 века, лишены рессор. Динамика воздействий их колес на подкрановые конструкции и колонны каркаса не гасится, что приводит к значительному увеличению воздействий! Производство мостовых кранов [2] с рессорами пока не освоено промышленностью!
Необходимо было восстановить работоспособность консолей! Остановить турбинный цех на время ремонта было невозможно. Восстановление работоспособности конструкций необходимо выполнить без остановки турбинного цеха.
Известны технические решения по усилению консолей колонн из железобетона при помощи тяжей [3, с.55], [4, с.255] с установкой дополнительной арматуры. Примем известные устройства за аналоги.
Недостаток аналогов - необходимость демонтажа подкрановых балок перед началом работ по усилению, а следовательно остановки работы мостовых кранов. Не найдено устройств полной разгрузки аварийной консоли колонны, без демонтажа подкрановых балок и временного прекращения их эксплуатации.
За прототип изобретения по разгрузке консолей колонн, утративших свою несущую способность, примем известный способ разгрузки аварийных консолей колонн предложенный Неждановым К.К. [5] и разработанные с аспирантами.
Известно и другое техническое решение по подрессоривание подкрановых балок в узле их опирания на колонны, предложенное Неждановым К.К. и Неждановым А.К. Примем его также за прототип [6].
Техническая задача изобретения - полная разгрузка аварийной консоли колонны, утратившей свою несущую способность, изменением пути передачи опорных реакций от подкрановых балок на стержень колонны, минимизация помех основному производственного процессу и сокращения трудозатрат на восстановление работоспособности колонн и проектного положения подкрановых балок.
Техническая задача по способу полной разгрузки аварийной консоли колонны, решена изменением пути передачи опорных реакций от подкрановых балок на стержень колонны.
Изменение пути передачи опорных реакций от подкрановых балок на стержень колонны реализовано рычажным механизмом в следующей технологической последовательности.
Способ полной разгрузки аварийной железобетонной консоли колонны от опорных реакций смежных подкрановых балок, заключается в том, что в промежутке между смежными подкрановыми балками вокруг верхней части колонны, а также на самой консоли удаляют, поврежденный коррозией, защитный слой бетона толщиной 60…75 мм, промывают поверхность.
Укладывают стальное опорное кольцо вблизи центра тяжести нижней части колонны с минимальным эксцентриситетом, заполняют опорное кольцо мелкозернистым расширяющимся бетоном и создают надежную опору для центратора.
Монтируют центратор, являющийся элементом верхней неподвижной обоймы вокруг верхней части колонны, причем концы центратора, выпускают с двух сторон колонны за боковые грани ее на 250…300 мм
Подвешивают к этим концам на тяжах-регуляторах симметричную пару рычагов управления, ниже отметки консоли на 350…400 мм, устанавливают постоянную распорку между короткими плечами рычагов управления и нижними поясами подкрановых балок, и фиксируют пару рычагов управления горизонтально.
Опирают на длинные плечи этой пары рычагов, соединительную домкратную балку и закрепляют на ней домкратными болтами балку верхней неподвижной обоймы на отметке центратора.
Уплотняют все щели упомянутой обоймы, путем соединения центратора и балки верхней неподвижной обоймы стальными листами и тяжами в замкнутую обойму. К соединительным швеллерообразным элементам присоединяют гнутый элемент с днищем из листовой стали являющийся уплотнительным элементом. В зоне контакта используют резиновый уплотнитель, которые заранее приклеивают к соединяемым элементам.
Присоединяют бетонопроводы к патрубкам обоймы, нагнетают через них в обойму способом «снизу вверх» мелкозернистый расширяющийся бетон, а при схватывании бетона обжимают обоймой верхнюю часть колонны со всех сторон и обеспечивают неподвижное соединение ее с колонной в единое целое и превращаем этот участок колонны в трубобетонный участок. Этот участок колонны превращается в трубобетонный. Со стороны домкратной балки восстанавливаем защитный слой колонны торкретированием.
Со стороны цеха удаляют аварийную часть консоли в промежутке между опорными частями смежных подкрановых балок и короткими плечами рычагов управления глубиной на 120…150 мм.
Монтируют в это гнездо опорный швеллер и опирают его на рычаги управления, соединяют болтами его нижнюю полку с полками пары рычагов управления, а верхнюю полку болтами - с нижними поясами подкрановых балок. Домкратными болтами рихтуют и восстанавливают проектное положение подкрановых балок, гарантированно затягивают гайки гайковертом, и эксплуатируют сооружение.
На фиг.1 показано устройство для полной разгрузки аварийной консоли железобетонной колонны утратившей свою несущую способность в результате коррозии бетона и арматуры;
на фиг.2 - вид спереди;
на фиг.3 - вид в плане.
на фиг.4 показан узел крепления подкрановой балки к колонне.
Способ полной разгрузки аварийной железобетонной консоли колонны 1 от опорных реакций смежных подкрановых балок 2, заключается в том, что в промежутке между смежными подкрановыми балками 2 вокруг верхней части колонны 3, а также на самой консоли 1 удаляют, поврежденный коррозией, защитный слой бетона толщиной 60…75 мм, промывают поверхность.
Укладывают стальное опорное кольцо 4 вблизи центра тяжести нижней части колонны 5 с минимальным эксцентриситетом, заполняют опорное кольцо мелкозернистым расширяющимся бетоном и создают надежную опору для центратора 6.
Монтируют центратор 6, являющийся элементом верхней неподвижной обоймы 7 вокруг верхней части колонны 3, причем концы центратора 6, выпускают с двух сторон колонны за боковые грани ее на 250…300 мм
Подвешивают к этим концам на тяжах-регуляторах 8 симметричную пару рычагов управления 9, ниже отметки консоли на 350…400 мм, устанавливают постоянную распорку 10 между короткими плечами рычагов управления 9 и нижними поясами подкрановых балок 2, и фиксируют пару рычагов управления 9 горизонтально.
Опирают на длинные плечи этой пары рычагов 9, соединительную домкратную балку 11 и закрепляют на ней домкратными болтами 12 балку верхней неподвижной обоймы 13 на отметке центратора 6.
Уплотняют все щели упомянутой обоймы 7, путем соединения центратора 6 и балку 13 верхней неподвижной обоймы стальными листами 14 и тяжами 15 в замкнутую обойму. К соединительным швеллерообразным эллементам 14 присоединяют гнутый элемент 16 с днищем из листовой стали являющийся уплотнительным элементом. В зоне контакта используют резиновый уплотнитель, которые заранее приклеивают к соединяемым элементам.
Присоединяют бетонопроводы к патрубкам обоймы 17, нагнетают через них в обойму 7 способом «снизу вверх» мелкозернистый расширяющийся бетон, а при схватывании бетона обжимают обоймой верхнюю часть колонны 3 со всех сторон и обеспечивают неподвижное соединение с колонной в единое целое. Этот участок колонны превращается в трубобетонный. Со стороны домкратной балки 11 восстанавливаем защитный слой колонны торкретированием.
Со стороны цеха удаляют аварийную часть консоли 1 в промежутке между опорными частями смежных подкрановых балок 2 и короткими плечами рычагов управления глубиной на 120…150 мм.
Монтируют в это гнездо опорный швеллер 18 и опирают его на рычаги управления 9, соединяют болтами 19 его нижнюю полку с полками пары рычагов управления, а верхнюю полку болтами 20 - с нижними поясами подкрановых балок. Домкратными болтами 20, рихтуют и восстанавливают проектное положение подкрановых балок, гарантированно затягивают гайки 20 гайковертом, и эксплуатируют сооружение.
Сопоставление разработанного устройства с аналогом показывает следующие существенные отличия, а именно:
max
1. Исключена возможность разрушения аварийных железобетонных консолей, при транспортировании мостового кранами массивного груза так как они полностью разгружены. Опорные реакции D передают вблизи центра тяжести сечения нижней части колонны через опорный центратор, что повышает надежность конструкций.
2. Усиляющие элементы механизировано, изготовлены в заводских условиях и быстро смонтированы с использованием технологичных болтовых соединений наиболее удобных при монтаже конструкций.
3. Опорный центратор укладывают с минимальным эксцентриситетом на нижнюю часть колонну. Центраторы снижают динамику воздействий мостовых кранов.
4. Способ обеспечивает легкую рихтовку рельсовых путей, как по вертикали, так и по горизонтали.
5. Высотную отметку смежных подкрановых балок восстанавливают механизировано, поддомкрачивая осевшие подкрановые балки автомобильными гидродомкратами.
6. Во время монтажа обоймы центраторы поддомкрачивают смежные подкрановые балки до проектной отметки по высоте.
7. Пара тяжей, соединяющих опорный центратор со стопором исключают сползание центратора с консоли во время монтажа обоймы.
max
8. Аварийную консоль колонны, утратившую несущую способность полностью разгружают, обеспечивая передачу опорных реакций (D=8263 ГН) изгибающего момента М от смежных подкрановых балок на стержень колонны рычажным механизмом.
9. Стопор фиксирует центратор на колонне в строго проектном положении;
10. Центратор являются элементом оюоймы установлен между смежными подкрановыми балками и верхней частью колонны.
11. Центратор передает опорную реакцию от смежных балок с минимальным эксцентриситетом вблизи центра тяжести сечения нижней части колонны.
12. Гайки затягивают, механизировано гайковертом на вертикальных тяжах обеспечивает точную выверку и фиксацию высотных отметок смежных подкрановых балок с закрепленными на них соосно без эксцентриситета рельсами.
13. Поддомкрачивание и рихтовку подкрановых балок легко осуществляют повторно. Экономический эффект достигнут из-за следующего:
max
- Исключена возможность разрушения железобетонных консолей и обрушение подкрановых балок при действии максимальных опорных реакций D.
- Работоспособность колонн каркаса полностью восстановлена без остановки турбинного цеха.
- Центраторы снизили динамику воздействий мостовых кранов и облегчили монтаж обоймы.
- Рихтовка смежных подкрановых балок обеспечена, как по высоте, так и в плане посредством поддомкрачивая осевших подкрановые балки автомобильными гидродомкратами и специального, рихтуемого, крепления рельса к верхней части колонны.
max
- Упрощен способ полной разгрузки аварийной консоли колонны от опорных реакций D смежных подкрановых балок и от изгибающего момента М без остановки турбинного цеха. Исключено обрушение аварийных консоли;
Пример конкретной реализации способа полной разгрузки аварийных консолей от воздействий мостовых кранов.
Расчет центраторов и тяжей произведем на усилия, возникающие в них при одновременной работе двух сближенных мостовых кранов, транспортирующих турбину массой 100 т на одной траверсе.
Центраторы и тяжи должны воспринимать максимальную опорную реакцию от двух смежных подкрановых балок, опирающихся на аварийную консоль колонны. Два сближенных мостовых крана грузоподъемностью по 50 т поместим на две смежные балки неблагоприятным образом. Расчетное воздействие каждого колеса равно Р=2674,1 ГН.
max
Максимальную опорную реакцию D определим по линии влияния:
max
i
i
max
D=∑P,y; D=3·2674,1(2,18+4)/6=8263 ГН.
Аварийное состояние консоли устраним полной ее разгрузкой рычажным механизмом. Центратор является опорой рычажного механизма, его монтируют вплотную к верхней части колонны с минимальным эксцентриситетом по отношению к центру тяжести нижней части колонны и он выступает концами за боковые грани колонны.
К центратору, симметрично по обе стороны консоли подвешивают на тяжах рычаги управления. Центратор является элементом неподвижной сборной обоймы.
bun
bh
bun
Тяжи выполняют высокопрочными (сталь легированная 40Х "Селект" ГОСТ 4543-71*). Наименьшее временное сопротивление R=1100 МПа. Расчетное сопротивление после термической обработки [7, с.6, с.72, табл.61*] R=0,7 R=770 МПа.
К тяжам подвешена пара рычагов управления. Короткие плечи рычагов управления предназначены для восприятия опорных реакций (8263 ГН) от смежных подкрановых балок.
<mrow><mstyle displaystyle="true"><mo>∑</mo><mrow><mi>A</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>D</mi><mrow><mi>m</mi><mi>a</mi><mi>x</mi></mrow></msub></mrow><mrow><mi>γ</mi><mi>R</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>8</mn><mn>2</mn><mn>6</mn><mn>3</mn></mrow><mrow><mn>0</mn><mo>,</mo><mn>8</mn><mo>⋅</mo><mn>7</mn><mn>7</mn><mn>0</mn></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>1</mn><mn>3</mn><mo>,</mo><mn>4</mn><mn>1</mn><mtext> </mtext><mi>с</mi><msup><mi>м</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mstyle></mrow>
Центратор передает опорную реакцию вблизи центра тяжести нижней 7 части сечения колонны с минимальным эксцентриситетом (см. фиг.1). Суммарная площадь поперечного сечения вертикальных тяжей пары центраторов
γ - коэффициент условия работы.
2
Примем восемь вертикальных тяжей по четыре, с каждой из сторон колонны для подвески каждого из рычагов управления М20 [7, с.72, табл.62*] с суммарной площадью поперечного сечения по нарезке 2,45·8=19,6>13,41 см(сталь легированная 40Х «Селект», тяжи термообработаны). Проверка прочности вертикальных тяжей М20 на растяжение
<mrow><mi>σ</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>D</mi><mrow><mi>m</mi><mi>a</mi><mi>x</mi></mrow></msub></mrow><mrow><mstyle displaystyle="true"><mo>∑</mo><mi>A</mi></mstyle></mrow></mfrac><mo><</mo><mi>γ</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>R</mi><mi>y</mi></msub></mrow>
;
<mrow><mi>σ</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>8</mn><mn>2</mn><mn>6</mn><mn>3</mn></mrow><mrow><mn>1</mn><mn>9</mn><mo>,</mo><mn>6</mn></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>4</mn><mn>2</mn><mn>1</mn><mo>,</mo><mn>6</mn><mo><</mo><mn>0</mn><mo>,</mo><mn>8</mn><mo>⋅</mo><mn>7</mn><mn>7</mn><mn>0</mn><mo>=</mo><mn>6</mn><mn>1</mn><mn>6</mn><mtext> </mtext><mi>М</mi><mi>П</mi><mi>а</mi></mrow>
Прочность восьми высокопрочных вертикальных тяжей М20 на растяжение по ослабленному нарезкой сечению обеспечена с запасом.
Расчет центратора на изгиб в вертикальной плоскости. Примем сталь центратора - Вст3 сп5, ГОСТ 2 777 2-88.
Нагрузка на единицу его длины
<mrow><mi>q</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>8</mn><mn>2</mn><mn>6</mn><mn>3</mn></mrow><mrow><mn>7</mn><mn>5</mn></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>1</mn><mn>1</mn><mn>0</mn><mo>,</mo><mn>2</mn><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mfrac><mrow><mi>Г</mi><mi>Н</mi></mrow><mrow><mi>с</mi><mi>м</mi></mrow></mfrac></mrow>
Тогда изгибающий момент
<mrow><mi>M</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>q</mi><msup><mi>l</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mn>8</mn></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>1</mn><mn>1</mn><mn>0</mn><mo>,</mo><mn>2</mn><mo>⋅</mo><mn>7</mn><msup><mn>5</mn><mn>2</mn></msup></mrow><mn>8</mn></mfrac><mo>=</mo><mn>7</mn><mn>7</mn><mn>4</mn><mn>8</mn><mn>4</mn><mo>,</mo><mn>4</mn><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>Г</mi><mi>Н</mi><mi>с</mi><mi>м</mi></mrow>
<mrow><msub><mi>W</mi><mi>X</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mi>M</mi><mrow><mi>γ</mi><mo>⋅</mo><mi>R</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>7</mn><mn>7</mn><mn>4</mn><mn>8</mn><mn>4</mn><mo>,</mo><mn>4</mn></mrow><mrow><mn>0</mn><mo>,</mo><mn>8</mn><mo>⋅</mo><mn>2</mn><mn>3</mn><mn>0</mn></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>4</mn><mn>2</mn><mn>1</mn><mo>,</mo><mn>1</mn><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>с</mi><msup><mi>м</mi><mn>3</mn></msup></mrow>
Требуемый момент сопротивления двутаврового центратора
2
4
3
x
x
Принимаем широкополочный двутавр I26Ш1: А=54,37 см, J=6225 см. Фактический момент сопротивления W=496 см. Может быть применен и профиль коробчатый в сечении.
Проверка прочности центратора на изгиб
<mrow><mi>σ</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>M</mi><mrow><msub><mi>W</mi><mi>X</mi></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>7</mn><mn>7</mn><mn>4</mn><mn>8</mn><mn>4</mn><mo>,</mo><mn>4</mn></mrow><mrow><mn>4</mn><mn>9</mn><mn>6</mn></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>1</mn><mn>5</mn><mn>6</mn><mo>,</mo><mn>2</mn><mo>⊲</mo><mi>γ</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>R</mi><mi>y</mi></msub><mo>=</mo><mn>0</mn><mo>,</mo><mn>8</mn><mo>⋅</mo><mn>2</mn><mn>3</mn><mn>0</mn><mo>=</mo><mn>1</mn><mn>8</mn><mn>4</mn><mtext> </mtext><mi>М</mi><mi>П</mi><mi>а</mi></mrow>
Прочность центратора на изгиб из двутавра I26Ш1 обеспечена. Боковой стопор, значительно менее нагруженный, примем из швеллера 24. Способ разработан для ТЭЦ-1 г.Пензы. Этим способом будут разгружены аварийные консоли турбинного отделения в 2011 г.
Список литературы
1. Справочник по кранам: В 2 т. T.I. Характеристики материалов и нагрузок. Основы расчета кранов, их приводов и металлических конструкций // В.И. Брауде, М.М. Гохберг, И.Е. Звягин и др.: Ред. М.М. Гохберг - М.: Машиностроение, 1988 - 536 с. Т.2. Характеристики и конструктивные схемы кранов. Крановые механизмы, их детали и узлы. Техническая эксплуатация кранов // М.П. Александров, М.М. Гохберг, А.А. Ковин и др.: Ред. М.М. Гохберг - Л.: Машиностроение, 1988. - 559 с.
2. Нежданов. К.К., Карев М.А., Кузьмишкин А.А., Рубликов С.Г., Нежданов А.К. Многоколесный мостовой кран. Патент России №2296098. Бюл. №9. Опубликовано 27.03.2007.
3. Кудзис А.П. Железобетонные и каменные конструкции. В 2-х частях. Часть 2. Конструкции промышленных и гражданских зданий и сооружений. - М.: «Высшая школа», 1989 - 264 с.
4. Рекомендации по оценке состояния и усилению строительных конструкций промышленных зданий и сооружений. - М.: Стройиздат, 1989.
5. Нежданов К.К., Нежданов А.К., Бороздин А.Ю. Способ разгрузки разрушающихся железобетонных консолей. В66С 7/00, E04G 23/02. Заявка 2006112731/11, 17.04.2006. Патент России №2346878. Опубликовано 20.02.2009. Бюл. №5. (Прототип).
6. Нежданов К.К., Нежданов А.К., Клочков Е.В. Способ разгрузки аварийной железобетонной консоли, исчерпавшей свою несущую способность в результате коррозии бетона и арматуры. Патент России RU №2415239. Заявка: 2008 145329/03. Бюл №15, 27.05.2010. Опубликовано 27.01.2011 Бюл №9.
7. СНиП II - 23 - 81*. Стальные конструкции. - М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1990 - 96 с.