Восстановление и усиление железобетонных конструкций
|
Основными повреждениями железобетонных конструкций являются разрушения от взрывов, землетрясений, пожаров и различных агрессивных природных явлений. Здание с железобетонным несущим остовом, пострадавшее при атомном взрыве и Нагасаки, показано на рис. 15, а, здание, разрушенное обычными средствами поражения в Суэце, — на рис. 1.4. Характерные повреждения железобетонных зданий от землетрясения в Японии в 1948 г. видны на рис. 16. В зависимости от объема разрушений железобетонные конструкции (или их отдельные элементы) заменяют новыми или усиливают. Усиление осуществляется: — увеличением количества арматуры; — увеличением площади поперечного сечения; — устройством двусторонних или односторонних железобетонных обойм; — устройством разгружающих конструкций в виде металлических балок, шпренгелей, дополнительных опор; — изменением расчетной схемы конструкции (применение неразрезных конструкций, введение дополнительных связей, шарниров и т. п.). Усиление железобетонных конструкций устройством обойм и наращиванием позволяет увеличить несущую способность даже сильно поврежденных конструкций при сохранении всех достоинств железобетона, включая его долговечность, монолитность и огнестойкость. Усиление металлическими разгружающими конструкциями обеспечивает быстрый темп работ, но требует дополнительного расхода металла. Усиление изменением расчетной схемы конструкции, хотя и весьма экономично, требует разработки индивидуального проектного решения.  Для восстановления прежней монолитности поврежденных железобетонных конструкций применяют бетон на безусадочном или расширяющемся цементе. Этот бетон, расширяясь, оказывает давление на поверхность, с которой он стыкуется, благодаря чему надежно сращивается с бетоном неповрежденных частей восстанавливаемых конструкций. Быстрое твердение расширяющегося цемента резко сокращает сроки восстановительных работ и дает возможность проводить их в зимнее время без тепляков, ограничиваясь лишь подогревом воды и заполнителей. Обычные же цементы не обеспечивают воссоздания первоначальной монолитности поврежденных железобетонных конструкций, так как при схватывании и твердении дают усадку. При вынужденном применении обычного глиноземистого цемента или портландцемента к ним должны добавляться расширяющие компоненты. Для обеспечения надежного сцепления старого бетона с новым при производстве восстановительных работ необходимо: — удалить штукатурку и потерявший прочность слой бетона (глубину этого слоя определяют, простукивая бетон молотком до тех пор, пока он не перестанет выкрашиваться); — очистить поверхность сохранившегося бетона от пыли; — насечь поверхность сохранившегося бетона пневмозубилом, обработать металлической щеткой и промыть водой; — на влажную поверхность сохранившегося бетона нанести тонкий (толщиной 1—2 см) слой раствора (состава 1:2) из расширяющегося цемента; — не позже чем через час после нанесения раствора уложить новый бетон.  Незначительные (шириной до 5 мм) трещины в железобетонных конструкциях в тех случаях, Когда они могут вызывать коррозию арматуры, промываются водой и заполняются цементным раствором состава 1:2. Сильно раскрытые нормальные трещины ликвидируют следующим образом, Сначала с помощью крейцмейселей расчищают вдоль трещин прямоугольные борозды шириной 5—6 мм на глубину 10 мм. Затем устанавливают резиновые манжеты, перекрывающие трещины по всей длине и обеспечивающие полную герметичность поврежденных участков, после чего в трещины заливают цементный раствор. Восстановление железобетонных конструкций, связанное с заменой поврежденных частей бетона, начинается с отметки границ участков (перпендикулярных к оси элементов), в пределах которых бетон должен быть удален. По намеченным границам выбираются борозды, глубину которых постепенно увеличивают до 10—15 см. Затем откалывают в направлении от отмеченных границ к середине поврежденного участка небольшие куски бетона, чтобы создать плоскость, перпендикулярную к оси элемента, и не допустить отколов бетона за границами участка расчистки. После этого производится осмотр и ликвидируются деформации арматуры — разрывы, выпучивания, перегибы или изломы, которые видны на рис. 19. В случаях сильных искривлений и разрушений железобетонные конструкции расчленяют на отдельные части, возвращают в проектное положение, после чего концы арматуры соединяют сваркой с помощью вставок и накладок, а затем устанавливают опалубку и соединенные части конструкции замоноличивают бетонированием. Вставка арматурных стержней на стыках должна осуществляться только с помощью сварки. Применение крюков с оплеткой в виде проволоки не допускается. Если концы разрезанной арматуры можно выправить, то это делают с помощью арматурных клещей и щипцов, причем принимают необходимые меры, исключающие дополнительное повреждение бетона. Расстояние между хомутами на расчищенных участках конструкции не должно превышать 15 см. Обнаженные стержни арматуры, особенно в местах сварки, тщательно очищаются стальными щетками от загрязнения, ржав чины и окалины. При расчетах и конструировании, связанных с восстановлением и усилением железобетонных конструкций, необходимо учитывать, что прочность бетона должна быть не ниже прочности бетона усиливаемых элементов и не ниже ~ 140 кгс/см2. Состав бетона должен подбираться с учетом сроков ввода в эксплуатацию усиливаемых конструкций. При необходимости ускорения сроков твердения бетона при его затворении применяется добавка хлористого кальция в количестве 2% веса цемента. Крупный заполнитель бетона подбирается с таким расчетом, чтобы размер его зерен был не более 1/4 наименьшей толщины прибетонируемого слоя бетона или обоймы и 3/4 минимального расстояния между стержнями арматуры. При очень густом расположении арматуры вместо бетона используют раствор прочностью не менее R3 = 140 кгс/см2. Заполнение бетоном опалубки и его уплотнение при восстановлении конструкций должно производиться особенно тщательно, как правило, с применением внутренних и наружных вибраторов. Уплотнение вручную допускается только в недоступных для вибраторов местах. При восстановительных работах предпочтение следует отдавать инъектированию и торкретированию с применением цемент пушек. Опыт восстановления зданий в Японии после землетрясений и в южных провинциях Франции после второй мировой войны, а также опыт заделки каверн в бетонных конструкциях после снятия опалубки показал высокую эффективность метода торкретирования. Фундаменты. Железобетонные фундаменты восстанавливаются и усиливаются в основном теми же методами и с учетом тех же требований, которые были изложены ранее. Исключение составляют железобетонные фундаменты под колонны, восстановление которых имеет следующие особенности: — при отколах бетона, не превышающих 1/5 меньшего размера подошвы фундамента, производится расчистка места повреждения, выправление арматуры, подготовка поверхности бетона и бетонирование; — при отколах бетона, превышающих 1/5 меньшего размера подошвы фундамента, а также при распространении трещин на большую глубину производится усиление фундамента; — восстановление и усиление фундамента, имеющего значительные повреждения, выполняется путем устройства вокруг него железобетонных обойм. Балки и прогоны. Характер прогибов и растрескивания железобетонных балок показан на рис. 15. Повреждения балок — трещины, выкрашивания или отколы бетона — ликвидируются согласно приведенным выше общим указаниям. При этом: — выкрашивания и отколы в растянутой зоне (если глубина их не превышает 1/3 высоты балки) устраняются бетонированием места повреждения; — выкрашивания и отколы в сжатой зоне (или в растянутой зоне, если глубина их более Уз высоты балки) ликвидируются путем устройства железобетонной обоймы. Обоймы делаются короткими или длинными в зависимости от степени повреждения балок. Короткие обоймы применяются при отсутствии разрывов арматуры или при стыковании разорванных стержней с перекрытием повреждения в каждую сторону на 1/2 высоты балки. Параметры короткой обоймы принимаются следующими: — площадь сечения растянутой арматуры обоймы  — общая площадь сечения хомутов по одну сторону балки  Длинные обоймы применяются в случаях, если площадь разорванных стержней больше 50% общей площади растянутой арматуры и если стыкование стержней невозможно. Обойма при этом заводится за каждую сторону зоны повреждения с таким расчетом, чтобы она находилась (отстояла) от этой зоны на расстоянии, равном 50 наибольшим диаметрам ее стержней, но не меньше, чем высота балки. Параметры обоймы принимаются следующими: — площадь сечения растянутой арматуры обоймы  — общая площадь сечения хомутов по одну сторону балки  Если балка повреждена вблизи опоры без разрыва растянутой арматуры, то обойма доводится до грани опоры, а защитный слой бетона в месте примыкания обоймы отбивается до хомутов. В зависимости от формы поперечного сечения балок И габаритов помещения обоймы могут быть различных очертаний (рис. 17). При усилении балки (как самостоятельной, так и входящей в состав ребристого перекрытия), имеющей тавровое сечение, дополнительная продольная арматура укладывается с трех сторон с открытыми хомутами (рис. 17, Iв), а при одновременном усилении балки и перекрытия — с хомутами (рис. 17, Iг), пропускаемыми в отверстия, пробитые в плите перекрытия.  При повреждении балки на всем протяжении обойма устраивается по всей ее длине или применяются следующие способы усиления: — одностороннее усиление дополнительной продольной арматурой с приваркой ее через коротыши-прокладки к существующей продольной арматуре (рис. 17, II). — одностороннее увеличение высоты сечения балки и установка дополнительной продольной арматуры с постановкой хомутов, привариваемых к существующей продольной арматуре; — двустороннее или одностороннее увеличение ширины сечения балки с установкой продольной арматуры и хомутов. Первый способ применяется при необходимости увеличить несущую способность балки на изгиб, второй — в тех случаях, когда требуется повысить сопротивление не только изгибающему моменту, но и поперечной силе, а третий — при ограниченных габаритах помещения. Балки, имеющие косые трещины, усиливаются железобетонными обоймами, а также вертикальными или наклонными хомутами из полосового или круглого железа (рис. 18,а). Кроме того, они могут усиливаться сварными решетчатыми фермочками из полосового или уголкового железа, охватывающими поврежденную часть балки (рис. 18, б). Хомуты могут быть натяжными с нарезкой и гайками или сварными, натягиваемыми металлическими клиньями. Во избежание соскальзывания косых хомутов при их установке выбирают борозды по верхней и нижней граням балки или приваривают хомуты к продольной арматуре. Балки, имеющие крутые, косые или вертикальные трещины, усиливают хомутами, под которыми устанавливают распределительные уголки. При косых трещинах, расположенных по длине балки более чем на 1/5 ее пролета, а также при разрывах арматуры балки усиливают: — подведением под них металлических балок из швеллеров или двутавров, подвешиваемых к прогонам (рис. 18, в); — укладкой усиливающей металлической балки поверх поврежденной балки, находящейся между колоннами или прогонами (рис. 18, г), если уменьшение высоты помещения под этой балкой нежелательно; — устройством металлических шпренгелей по высоте усиливаемой балки способом, показанным на рис. 36, а.  Во избежание коррозии хомутов и фермочек их покрывают торкретбетоном или цементным раствором по металлической сетке или антикоррозионными составами. Усиливающие металлические балки можно не покрывать бетоном, если это допустимо по эстетическим соображениям и условиям эксплуатации. Восстановление балок, имеющих смещения в опорах или температурных швах, производится устройством обоймы по одну или по обе стороны шва. Колонны. Характер разрушения колонн в многоэтажном здании с железобетонным каркасом показан на рис. 15 и 19.  Основным способом восстановления поврежденной железобетонной колонны является устройство четырехсторонних железобетонных обойм по высоте всей ее поврежденной части. Восстановление и усиление колонны производятся путем постановки конструктивных обойм (рис. 20,а), если она повреждена менее чем на 1/3 своего сечения, или устройством расчетных обойм (рис. 20, б), если колонна повреждена более чем на 1/3 сечения. Конструктивная обойма устраивается в пределах поврежденного участка с перепуском в обе стороны на длину не менее 1/2 большего размера поперечного сечения колонны, а расчетная обойма — с перепуском на длину не менее большего размера поперечного сечения и 30 диам продольной арматуры большего сечения, но не менее 50 см. Параметры обойм, в частности размеры их поперечных сечений, принимаются из расчета действующих в этих сечениях усилий. В зависимости от характера повреждения толщина обоймы принимается равной или больше 8 см. При переломах колонн и при других местных повреждениях (рис. 20, в)  при повреждениях их в виде скалывания (рис. 20, г)  В первом случае площадь сечения продольной арматуры обоймы Fo≥0,015d (b1+h1), а во втором Fo≥0,01d (b1+h1), где b и h — размеры поперечного сечения колонны; b1 и h1 — размеры поперечного сечения обоймы по наружному контуру. Площадь сечения хомутов обоймы Fx должна быть не менее большей из следующих величин:  Расчетные обоймы устраиваются с перепуском на длину не менее большего диаметра поперечного сечения колонны, но не менее чем на 50 см в обе стороны от зоны повреждения.  Восстановление железобетонных колонн с помощью металлических элементов может осуществляться с применением прокатных элементов — уголков, швеллеров, двутавров, рельсов и труб. Металлические стойки с металлическими башмаками и оголовниками рекомендуется устанавливать на металлические листы, укладываемые на цементном растворе. Металлические стойки стягиваются хомутами и после затвердения раствора под нижними листами подклиниваются металлическими клиньями или зачеканкой пространства между нижними гранями главных балок и верхними металлическими листами жестким цементным раствором. Металлические стойки рекомендуется покрывать слоем цементной штукатурки по металлической сетке. Консоли. Восстановление и усиление незначительно поврежденных консолей (рис. 21), не имеющих косых трещин, производятся постановкой горизонтальных хомутов с последующим их обетонированием. Одновременно восстановление консолей, балок и колонн осуществляется с применением железобетонных обойм.  Восстановление консолей, монолитно соединенных с балками, которые они поддерживают, производится путем одновременного одностороннего увеличения площадей их сечений и сечений поддерживающих их колонн (как показано на рис. 22, а) или при наличии свободного габарита устройством металлических подвесных конструкций (рис. 22, б), воспринимающих всю поперечную силу, передающуюся на консоль. Для плотного опирания балок на консоли между ними устанавливают металлические клинья или же зачеканивают зазоры жестким цементным раствором. Для обеспечения подвижности консолей в температурных швах по их опорным плоскостям укладывают каточки из обрезков круглой стали или металлические листы с тонким слоем графита.  Стены. Современные крупнопанельные здания из железобетонных элементов обладают повышенным запасом прочности и устойчивости. Это объясняется тем, что при расчете железобетонных элементов не учитывается связь их в единую пространственную систему (работа элементов в их совокупности в виде пространственной фермы), обладающую новым весьма ценным качеством — локальной реакцией на воздействие резких местных перегрузок или увеличенных деформаций. Это можно проиллюстрировать на следующем примере. В 1963 г. в результате воздействия взрывной волны была разрушена часть четырехэтажного крупнопанельного дома (рис. 23). Несмотря на большую силу взрыва, он вызвал только местное разрушение и повреждение конструкций, непосредственно прилегавших к его очагу или расположенных над ним в третьем и четвертом этажах. Разрушенные панели наружных стен трех этажей повисли на арматуре и стальных связях. Внутренние несущие стены сместились по горизонтали на 1—2 см и частично отклонились от вертикали на 3—4 см. В стенах образовались трещины. Концы плит перекрытий вышли из пазов на величину смещения опор панелей, а крайние плиты, примыкавшие к наружной стене, кроме того, отошли от остальных плит на 3—5 см, но не упали, а остались висеть на стальных связях или на панелях стен. Гипсовые перегородки были частично разрушены или повреждены большими трещинами. Таким образом, повреждение и разрушение конструкций здания наблюдались только в зоне непосредственного воздействия взрывной волны.  Восстановление стен современных крупнопанельных зданий производится индустриальными методами и состоит в демонтаже и замене с помощью кранов поврежденных панелей, последующем закреплении их электросваркой и замоноличивании швов раствором. Стыни между элементами сборных железобетонных конструкций заделываются цементным раствором или тиоколовой мастикой с помощью вибробункеров, инвентарной опалубки, скрепляемой струбцинами, и других приспособлений, показанных на рис. 24.  При большом объеме работ необходимые для восстановления панели целесообразно завозить с находящихся поблизости домостроительных комбинатов и заводов сборного железобетона, а если такой возможности нет или объем восстановительных работ невелик, необходимо заготавливать панели собственными силами на производственных базах сборных железобетонных элементов. Наиболее перспективным методом восстановления поврежденных крупнопанельных сооружений является использование взамен разрушенных элементов трехслойных панелей из полимерных материалов, рассчитанных (с использованием алгол-программирования и ЭВМ) В.П. Коцегубовым и др. для промышленных зданий в качестве стеновых и кровельных ограждений (рис. 25). Они, как правило, состоят из асбоцементных обшивок, сплошного или ребристого среднего слоя (полимерного заполнителя), элементов обрамления и металлических креплений, привариваемых к каркасу зданий. Длина их достигает 6 м, а при усилении ребрами или шпренгелями — 9—12 м. В качестве заполнителя служат пенопласты или сотопласты. Для герметизации стыков панелей используют различные прокладки в виде жгутов, трубочек и лент и накладки из алюминия или жести.  Перекрытия. Перекрытия в зданиях и сооружениях, пострадавших от взрывав и пожаров, могут быть полностью уничтожены, частично разрушены или получить небольшие повреждения в виде трещин. Следует учитывать, что материалы, из которых выполнены конструкции, имеют неодинаковый срок службы. Так, например, деревянные перекрытия в старых каменных зданиях разрушаются гораздо быстрее стен. При восстановлении их следует заменять современными долговечными конструкциями, выполненными индустриальными методами, и прежде всего железобетонными конструкциями. В настоящее время разработаны железобетонные конструкции, которые применяются при полной и неполной разборке крыш и почти всех внутренних конструкций в процессе восстановления и комплексного капитального ремонта зданий. Конструкции, используемые при полной разборке, имеют значительные вес и размеры и монтируются с помощью башенных кранов. Вес конструкций, применяемых при неполной разборке, не превышает 600 кг. Они могут подаваться в оконные проемы малогрузными кранами (рис. 26).  При смене перекрытий часть гнезд может не совпасть с шагом балок, тогда придется вырубать дополнительные гнезда. При этом глубину гнезд во внутренних стенах нужно делать с некоторым запасом, а в потолке гнезд наружных стен производить высечки «убегом», позволяющие заводить балку па место. Заменять и удалять .поврежденные балки надо очень осторожно. Некоторые из них рекомендуется оставлять (ликвидировав повреждения или усилив балки), чтобы сохранить необходимую устойчивость стен, так как балки являются связями между ними. Иногда по тем или иным причинам (например, плохое состояние стен) вырубить новые гнезда нельзя. В таких случаях, если металлические балки надежно заделаны, можно обрезать их на некотором расстоянии от стен и использовать выступающие концы в качестве опор для металлических и железобетонных консольных полос (идущих вдоль стен), которые в свою очередь будут служить опорами для нового перекрытия (рис. 27).  Консольные полосы облегчают устройство перекрытия, так как при этом нет необходимости делать борозды, служащие опорой для железобетонных балок и плит, и выполнять трудоемкие операции по заведению конструкций перекрытия в эти борозды. Кроме того, можно использовать имеющиеся плиты и балки при восстановлении старых зданий, в которых расстояния между элементами несущего остова превышают стандартные. Недостатками метода с устройством консольных полос считаются повышение уровня перекрытий и сложность увязки их с сохранившимися лестничными площадками, а также наличие под ними выступов, трудно поддающихся маскировке. Однако эти недостатки можно устранить подвешиванием балок на хомутах (рис. 27, а). Чтобы использовать имеющиеся в стенах гнезда, удаляют торчащие концы анкеров, обивают поврежденную в пределах гнезд кладку стен, а сами гнезда промывают водой и заполняют кирпичной кладкой на цементном растворе; кладка не доводится до верха гнезд на 5 см. После затвердевания раствора заполнения оставленный зазор тщательно зачеканивают жестким цементным раствором. Долбление гнезд для нового перекрытия может быть начато только после выполнения этих работ. Практика современного строительства зданий из пространственных элементов, изготавливаемых централизованно на домостроительных комбинатах, открывает перспективы значительного повышения устойчивости сооружений и быстрого восстановления ИХ путем замены разрушенных элементов пространственными элементами из целых блок-комнат. |
