Какие существуют методы усиления и ремонта стальных конструкций?

Усиление и реконструкция стальных конструкций — важнейшая область гражданского строительства и строительства, направленная на продление срока службы конструкции, повышение её несущей способности, устранение повреждений или адаптацию к новому назначению. Применяются различные методы — от традиционных до современных композитных.

Методы армирования и ремонта стальных конструкций

Существует несколько методов усиления и ремонта стальных конструкций, зависящих от степени повреждения, причины усиления и желаемого результата. Основная цель — повышение несущей способности, жёсткости или долговечности конструкции.

Категория A: Увеличение и добавление сечения

Это наиболее традиционный и распространённый подход. Цель — увеличение площади поперечного сечения или момента инерции элемента.

Сварка или болтовое соединение стальных пластин:

Поясные пластины: крепление пластин к верхним и/или нижним поясам балок или ферм. Это значительно увеличивает момент сопротивления сечения и прочность на изгиб.

Накладки на стенку балки: добавление пластин к стенке балки для увеличения её несущей способности на сдвиг или предотвращения деформации стенки. Это могут быть «удвоители».

Накладки: общее название для пластин, добавляемых к любой грани стального элемента (например, коробчатой колонны) для увеличения его осевой или изгибающей способности. Добавление новых конструктивных элементов:

Добавление балок или балок: установка новых элементов для уменьшения пролета существующих, тем самым снижая нагрузку, которую они должны выдерживать.

Добавление связей: установка диагональных элементов (например, Х-образных или К-образных связей) в каркас для повышения его поперечной жесткости и прочности при воздействии ветровых или сейсмических нагрузок.

Добавление колонн: размещение новых колонн под существующими балками или фермами для обеспечения промежуточной опоры и уменьшения изгибающих моментов.

Изменение конструктивной системы:

Это более сложный подход, при котором изменяется основной способ восприятия нагрузки конструкцией. Например:

Преобразование простой балки в ферму путем добавления диагональных и вертикальных элементов под ней.

Добавление внешних арок или вант для поддержки большепролетной балки или мостового настила.

Категория B: Современные композитные материалы

Эти методы используют современные, высокопрочные и лёгкие материалы.

Армированные волокном полимеры (FRP):

Принцип работы: Высокопрочные листы или полосы из углеродного (CFRP) или стекловолокна (GFRP) приклеиваются к поверхности стального элемента с помощью прочного эпоксидного клея.

Применение: Обычно применяется к растянутым полкам балок для повышения их изгибающей способности. Также может использоваться для обмотки колонн для повышения прочности или предотвращения их выпучивания.

Преимущества: Очень высокое соотношение прочности к массе, отличная коррозионная стойкость, минимальное изменение размеров элемента и быстрый монтаж.

Недостатки: Высокая стоимость материала, чувствительность к огню и ультрафиолетовому излучению (требуется защитное покрытие), а также вероятность отслоения при ненадлежащей подготовке поверхности.

Категория C: Предварительное и постнапряжение

Внешнее постнапряжение:

Принцип работы: Высокопрочные стальные тросы или стержни (напрягающие элементы) крепятся к балке или ферме. Затем эти напрягающие элементы натягиваются гидравлическими домкратами, создавая сжимающее усилие в элементе. Это сжатие создает направленный вверх прогиб, который противодействует прогибу и растягивающим напряжениям, вызванным гравитационными нагрузками.

Применение: Отлично подходит для увеличения несущей способности большепролетных балок и мостов, контроля прогиба и устранения существующих трещин.

Методы реконструкции и ремонта (устранение повреждений)

Эти методы направлены на восстановление целостности поврежденных или изношенных компонентов.

Ремонт и защита от коррозии:

Подготовка поверхности: наиболее важный этап. Методы включают пескоструйную обработку, гидроструйную очистку или очистку электроинструментом для удаления всей ржавчины и отслоившихся покрытий до чистого металла.

Ремонт с потерей сечения: если коррозия значительно уменьшила толщину, потерянный материал заменяется путем приваривания новой пластины поверх пораженного участка (после очистки).

Защитные покрытия: нанесение высокоэффективной системы покрытия (например, цинконаполненного грунта, эпоксидного промежуточного слоя, полиуретанового верхнего слоя) для предотвращения коррозии в будущем. Другие варианты включают горячее цинкование или металлизацию.

Ремонт усталостных трещин и трещин:

Сверление с остановкой: сверление небольшого отверстия в вершине трещины для снижения концентрации напряжений и предотвращения ее дальнейшего распространения. Часто это временная мера.

Строжка и повторная сварка: Трещина полностью удаляется шлифовкой или дуговой строжкой, после чего область заполняется новым высококачественным сварным швом.

Болтовое соединение стыковых пластин: Стальные пластины крепятся болтами по обе стороны от треснувшего элемента для распределения нагрузки вокруг поврежденного участка.

Устранение повреждений от пожара:

Оценка: Первым шагом является определение того, нагрел ли пожар сталь настолько, чтобы изменить ее металлургические свойства (обычно выше 600°C или 1100°F).

Выпрямление: Деформированные элементы иногда можно выпрямить с помощью контролируемых циклов нагрева и охлаждения.

Укрепление или замена: Сильно поврежденные участки часто вырезаются и заменяются или укрепляются новыми стальными пластинами.

Повторное нанесение огнезащиты: Нанесение новой вспучивающейся краски, напыляемого огнестойкого материала (SFRM) или теплоизоляционных плит.

Усиление соединений:

Соединения часто являются самыми слабыми местами в конструкции.

Добавление болтов: сверление новых отверстий и установка дополнительных высокопрочных болтов в соединение.

Добавление сварных швов: размещение дополнительных сварных швов для повышения прочности сварного или болтового соединения.

Добавление ребер жесткости или косынок: приваривание новых пластин в соединение для повышения его жесткости и способности передавать нагрузку.

Ключевые моменты при укреплении и ремонте

Крепление и временная поддержка: Во время работ конструкция должна быть надежно закреплена, так как удаление или изменение элементов может временно ослабить ее.

Удобство в эксплуатации и доступность: Выбранный метод должен быть осуществим в существующем пространстве, которое может быть ограниченным.

Контроль деформации: Сварка создает значительное тепловыделение, которое может привести к деформации и остаточным напряжениям. Тщательно спланированная последовательность сварки крайне важна.

Совместимость материалов: Необходимо обеспечить совместимость новой стали со старой по прочности и свариваемости.

Профессиональный надзор: Все работы по армированию и ремонту должны быть спроектированы и проконтролированы квалифицированным инженером-строителем для обеспечения безопасности и соответствия строительным нормам и правилам.

Армирование и ремонт могут включать различные методы, включая усиление конструкции, защиту от коррозии, замену компонентов или установку новых опорных систем. Выбор метода зависит от таких факторов, как тип повреждения, предполагаемый срок службы и экономическая эффективность решения.