Как следует подклинивать зазоры между усиливающей и усиливаемой конструкциями?

Подведение стальных балок под железобетонные балки или плиты — довольно распространенный прием усиления. Основан он на принципе частичного разгружения — стальная балка является дополнительной (упругой) опорой и берет на себя часть полезной нагрузки. Однако эффективность такого усиления, как правило, невелика. Сечения стальных балок проектировщики зачастую подбирают простым суммированием несущих способностей усиливаемой и усиливающей балок: если существующая балка (плита) в состоянии воспринимать только часть расчетного изгибающего момента М, то сечение стальной балки подбирают из условия восприятия недостающей части.

Такой подход ошибочен по двум причинам. Во-первых, стальная балка включается в работу не с самого начала, а со времени приложения дополнительной нагрузки. Чем меньше разгружена железобетонная балка (плита), тем менее эффективно работает стальная балка (см. вопрос 6.3). Во-вторых, доли совместно воспринимаемой нагрузки определяются не несущими способностями сечений, а совместными деформациями (прогибом f). Поэтому дополнительная нагрузка распределяется пропорционально жесткостям существующей и усиливающей конструкций.

Поясним на примере (рис. 52). Железобетонная балка пролётом 6 метров имеет жесткость 81000 кН·м² (при отсутствии трещин) и в состоянии воспринимать 80% расчетного изгибающего момента М = 290 кН·м. До начала усиления нагрузка на балку снижена наполовину, т.е. изгибающий момент в ней составляет 145 кН·м. Следовательно, из оставшейся половины изгибающего момента 30%М (ΔМ_b = 87 кН·м) должна воспринять железобетонная балка, а 20%M (M_s = 58 кН·м) - стальная. Поскольку прогибы балок одинаковы (f_b = f_s), пропорционально этим моментам должны быть и жесткости балок: ΔM_b/B_b = М_s/В_s' откуда B_s/B_b = 2/3, т. е. жесткость стальной балки B_s = 54000 кН ·м². Этой жесткости соответствует прокатный двутавр № 45, напряжения в котором при действии воспринимаемого им момента 58 кН·м составят 47 МПа, т. е. всего 1/5 расчетного сопротивления стали марки С235. Чем большая часть нагрузки снята с железобетонной балки до начала усиления, тем меньшее сечение потребуется для усиливающей балки и тем эффективнее она будет работать. Но даже при полном снятии нагрузки напряжения в последней (двутавр № 33а) составят всего 110 МПа.

Из приведенного примера видно, насколько неэффективно используется несущая способность усиливающей балки даже при самом раннем включении ее в работу. Правда, стальная балка будет нагружаться более интенсивно после образования трещин в железобетонной балке, когда жесткость последней заметно снижается. Однако строгий расчет их совместной работы затруднителен, а его результаты могут оказаться далекими от фактической работы.