Под усилением конструкций понимают повышение их несущей способности в рабочем положении. Необходимость усиления конструкций электросетевого строительства может быть вызвана снижением несущей способности вследствие наличия дефектов и повреждений, а также увеличением нагрузок при реконструкции ВЛ и ОРУ.
Анализ существующих способов усиления строительных конструкций позволяет все многообразие проектных решений объединить в две большие группы: 1) усиление без существенного изменения конструктивной формы и расчетной схемы конструкции (усиление за счет увеличения сечений элементов); 2) усиление изменением расчетной схемы конструкции.
Метод увеличения сечений как правило требует частичной или полной разгрузки конструкции, так как элементы усиления включаются в работу при приложении нагрузки большей, чем на момент усиления. Существующая конструкция в этом случае воспринимает постоянную нагрузку, а усилия от эксплуатационных нагрузок распределяются между существующими и усиливающими элементами. Место расположения элементов усиления определяется удобством их установки и закрепления в проектное положение при минимуме работ по демонтажу существующих конструкций.
Рис. 16. Усиление стоек наращиванием
Изменение расчетной схемы конструкции направлено на регулирование напряжений в существующей конструкции за счет введения дополнительных элементов усиления. В качестве таких элементов могут быть использованы дополнительные опоры, шпренгели, затяжки, предварительно напряженные элементы и тому подобное.
Ниже рассмотрены конкретные примеры усиления электросетевых конструкций.
Усиление железобетонных опор и стоек под оборудование обычно производят по методу увеличения сечений. Повышение несущей способности в этом случае может быть достигнуто за счет выполнения вокруг существующих конструкций стоек монолитных железобетонных обойм (рубашек). Опирание обоймы производится на монолитный железобетонный фундамент, выполняемый вокруг существующей стойки. Глубина заложения подошвы фундамента должна быть не менее глубины промерзания грунта. Класс бетона фундамента — не ниже В20.
Для обеспечения возможности виброуплотнения бетонной смеси толщину стенки рубашки назначают не менее 50 мм. Армирование выполняется с помощью плоских каркасов, устанавливаемых на всю высоту усиливаемой части стойки (от подошвы фундамента до оголовка стойки) либо с помощью отдельных продольных стержней, объединяемых на монтаже в пространственный каркас с помощью хомутов или спирали (рис. 16). Продольные (рабочие) стержни выполняются обычно из стержневой арматуры класса A-III, распределительные стержни — из стержневой арматуры класса А-I, хомуты — из проволочной арматуры
Рис. 17. Усиление стоек металлическими обоймами:
а — без предварительного напряжения; б — с предварительным напряжением стержней (1 — конструкция усиления в процессе монтажа: 2 — конструкция усиления в проектном положении)
В-I. Класс бетона назначают в пределах В20—ВЗО. Совместная работа существующей конструкции и конструкции усиления обеспечивается в результате адгезии и когезии бетона и обжатия поверхности стойки бетоном рубашки.
Увеличение несущей способности стоек также можно выполнить нанося слой торкрет-бетона на существующую конструкцию.
Набрызг бетона производится с расстояния 500—700 мм с помощью специального оборудования (пушки). Толщина наносимого слоя — не менее 30 мм. Армирование и конструкция фундамента в этом случае аналогична описанной выше.
Для усиления железобетонных стоек часто используют металлические обоймы (рис. 17, а), которые представляют собой четырехгранные в плане стержневые конструкции, изготавливаемые из металлических уголков, связанных планками.
Рис. 18. Усиление металлических порталов ОРУ и узкобазых опор ВЛ:
1 — существующий фундамент; 2 — новый фундамент; 3 — про корродировавшая часть стойки; 4 — элемент новой базы; 5 — анкерные плитки; 6 — анкерные болты; 7 — гайки с шайбами
Заводские соединения выполняются с помощью сварки, монтажные — на болтах нормальной точности. Полная сдвигоустойчивость соединений может быть обеспечена при установке высокопрочных болтов либо при обварке монтажных планок. Опирание обоймы производится на монолитный железобетонный фундамент. База выполняется из двух уголков.
При подобном конструктивном решении климатические нагрузки воспринимаются одновременно железобетонной стойкой и конструкцией усиления. По мере разрушения бетона железобетонная конструкция выключается из работы и действующие нагрузки воспринимаются только металлической обоймой.
Монтажные работы выполняются в такой последовательности. Существующую стойку откапывают на глубину заложения нового фундамента. Затем устанавливают инвентарную щитовую опалубку и монтируют арматурный каркас фундамента. Элементы обоймы подводят к вышележащим металлическим конструкциям или технологическому оборудованию и оголовок обоймы жестко связывают с ним. После этого выставляют анкерные болты, анкерные плитки и гайки с шайбами и выполняют бетонирование фундамента.
Обойму можно устанавливать и на предварительно созданный фундамент. Однако в этом случае необходимо предусматривать мероприятия для передачи нагрузок от вышележащих конструкций на оголовок конструкции усиления. Обычно в таких случаях между оголовком и существующими конструкциями и устанавливают прокладки из стального листа толщиной 6—10 мм.
Создать предварительное напряжение в обойме можно при использовании стержней ломаного очертания (рис. 17, б). Разгрузка стойки достигается при взаимном стягивании ветвей обоймы. Для изгиба ветвей в боковых полках уголков делают надрезы. Устойчивость стержней в плоскости стягивания обеспечивается после установки планок в этой плоскости.
Рис. 19. Схема усиления опор введением подкосов и оттяжек:
1 — усиливаемая конструкция: 2 — подкос: 3 — оттяжка
Применение описанной технологии усиления Специализированным научно-производственным центром конструкций электросетевого строительства ДонГАСА при производстве работ в Производственно-энергетическом объединении «Донбассэнерго» показало высокую надежность рассмотренных конструктивных решений.
Восстановить несущую способность металлических порталов ОРУ и узкобазых опор ВЛ, имеющих значительные коррозионные поражения нижних элементов конструкций и узла опирания на фундамент, можно за счет увеличения площади фундамента и его верхней отметки, на которой устанавливают новую базу стойки (рис. 18). Последовательность производства работ при этом следующая. Откапывают существующий фундамент, удаляют его разрушенные участки и устанавливают арматуру нового фундамента. На отметке, расположенной выше прокорродировавшей части стойки, закрепляют элементы новой базы, устанавливают анкерные плитки и анкерные болты с гайками и шайбами. После чего собирают опалубку и выполняют бетонирование нового фундамента. Совместная работа обоих фундаментов обеспечивается за счет когезии и адгезии бетона и обжатия бетона существующего фундамента бетоном нового фундамента.
Описанный способ усиления позволяет отказаться от применения грузоподъемных механизмов, не требует разгрузки конструкции и отключения напряжения при производстве работ и может осуществляться в естественных условиях действующего производства. Он сочетает высокую надежность конструкции усиления с небольшими стоимостью работ и затратами на материалы и оборудование.
Существенного снижения нагрузок на эксплуатируемые конструкции опор линий электропередачи можно достигнуть за счет уменьшения пролета проводов и тросов (для этого в середине пролета устанавливают дополнительную опору).
Одним из эффективных способов усиления железобетонных и металлических опор ВЛ и стоек под оборудование является введение оттяжек или подкосов (рис. 19). Повышение несущей способности в этом случае достигается за счет уменьшения изгибающих моментов в нижней части опоры и сокращения ее расчетной длины.
Рис. 21. Схема усиления металлических траверс затяжками: а — горизонтальными; 6 — шпренгельными
Рис. 20. Схема усиления железобетонных траверс затяжками:
а - горизонтальными; б — шпренгельными (1 — усиливаемая конструкция; 2 — затяжка; 3 — натяжной болт)
Изгибаемые железобетонные элементы (например траверсы порталов) можно усилить путем изменения их конструктивной схемы. Для этого используют затяжки, располагаемые в растянутой зоне элемента и подвергаемые предварительному натяжению на бетон (рис. 20). Предварительное напряжение в затяжках создают за счет стягивания последних с помощью специальных болтовых устройств. Усиливаемая траверса в этом случае работает как внецентренно сжатый элемент, затяжка воспринимает растягивающие усилия.
Предварительно напряженные затяжки можно использовать и для повышения несущей способности металлических стержневых конструкций, работающих на изгиб (траверс и т.п.) (рис. 21).
Рис. 22 Усиление металлических стержней увеличением сечения элементов: а — прокатными уголками; 6 — круглой сталью; в — стальными полосами
Рис. 23. Усиление искривленного пояса с помощью шпренгеля
Отдельные элементы металлических конструкций электросетевого строительства усиливают приваркой дополнительных элементов уголкового или круглого сечения или полосами из листовой стали (рис. 22).
Искривленные стержни поясов металлических опор порталов допускается усиливать установкой шпренгелей в плоскости изгиба элемента. В этом случае шпренгели сокращают расчетную длину элемента и уменьшают внеузловые моменты, возникающие в деформируемом стержне (рис. 23).
Искривленные элементы решетки, работающие на сжатие, можно усилить с помощью установки дополнительных стержней, располагаемых параллельно усиливаемым элементам (рис. 24). Если в поврежденном стержне отношение стрелы прогиба к длине элемента не превышает 1/750, усиление проводить не требуется. Нет смысла усиливать и элементы, воспринимающие только растягивающие усилия, так как последние способствуют обратному выгибу элемента.
Элементы, имеющие локальные прогибы погнутости полок уголков и вырезы, усиливают приваркой дополнительных стальных полос или стержней круглого сечения (рис. 25).
Рис. 25. Усиление стержней при наличии местных дефектов:
а — усиление элемента, имеющего локальную погнутость; б — усиление элемента при наличии выреза в полке
Рис. 24. Усиление искривленных стержней:
а - усиление элемента треугольной решетки; б — усиление элемента перекрестной решетки
В сварных электросетевых конструкциях усиление узловых соединений выполняется следующими способами (рис. 26, а, б): 1) увеличением длины существующих сварных швов без введения дополнительных элементов; 2) увеличением толщины существующих швов их наплавлением; 3) введением дополнительных элементов («коротышей») в узлы; 4) увеличением длины сварных швов за счет наращивания фасонок.
Первый способ предпочтителен, однако его применение возможно только в тех случаях, когда имеется место для наложения дополнительных швов. Не менее надежным, но очень трудоемким является метод наращивания фасонок. Существенно меньшие трудозатраты требуются при усилении с помощью «коротышей». Расположение дополнительных элементов усиления должно быть выбрано таким образом, чтобы избежать возникновения значительных эксцентриситетов продольных сил.
Способы усиления узловых соединений болтовых конструкций (рис. 26, в): 1) установка дополнительных болтов без введения дополнительных элементов в узлы; 2) установка дополнительных элементов («коротышей»); 3) замена болтов нормальной точности высокопрочными болтами; 4) обварка фланговыми швами; 5) наращивание фасонки с применением сварных и болтовых соединений.
Рис. 26. Усиление узловых соединений в конструкциях: а, 6 — сварных; в — болтовых
Установка «коротышей» связана с появлением эксцентриситетов и непрямой передачей усилий. Эффективность этого способа может быть повышена за счет прикрепления «коротышей» с помощью высокопрочных болтов. Замена болтов нормальной точности на высокопрочные достаточно трудоемка и предусматривает разгрузку конструкции. Обварка болтовых соединений фланговыми швами применяется в случаях, когда материал и условия работы конструкции допускают применение сварки. Расчет сварных швов выполняют на полное усилие, действующее в стержне. Если расчетная длина усиливающих швов превышает длину фасонки, последнюю увеличивают установкой дополнительных элементов.
Интересным с точки зрения принятых проектных решений является способ усиления, примененный в закрытом распределительном устройстве (ЗРУ) напряжением 110 кВ подстанции Горловка-110. Блок ЗРУ построен в 1929 г., имеет в плане прямоугольную форму и включает два пролета (рис. 27). Конструктивная схема блока — смешанная.
Рис. 27. Блок ЗРУ (разрез):
1 — обойма из уголков; 2 — демонтируемые подвесные гирлянды изоляторов; 3 — опорные изоляторы; 4 — траверса
Внутренняя двухпролетная двухэтажная рама и перекрытия выполнены из монолитного железобетона. Конструкция покрытия состоит из двух монолитных железобетонных плит, жестко связанных одна с другой. К нижней плите покрытия посредством стальных кронштейнов U-образной формы, заделанных в бетон, прикреплены подвесные гирлянды изоляторов. Обследование ЗРУ показало, что кронштейны имеют значительные коррозионные поражения и их остаточная несущая способность не обеспечивает требований нормальной эксплуатации ЗРУ, отмечены случаи вырывания кронштейнов из монолитной железобетонной плиты покрытия.
Для восстановления работоспособности ЗРУ подвесные изоляторы были заменены на опорные и выполнена установка дополнительных металлических конструкций для передачи нагрузки от шин, ошиновки и изоляторов на раму блока ЗРУ (рис. 28). Конструкция усиления представляет собой двухконсольную балку (траверсу), выполненную из двух швеллеров и прикрепляемую к колонне с помощью обоймы из четырех уголков. Изоляторы устанавливаются на опорные столики, расположенные на верхнем поясе траверсы.
Рис. 28. Конструкция усиления ЗРУ 110 кВ:
1 — траверса; 2 — обойма; 3 — опорные столики; 4 — колонна; 5 — стягивающие болты
Вертикальная нагрузка на колонну передается за счет сил трения, возникающих между уголками обоймы и поверхностью колонны при затягивании болтов.
Работы по усилению выполнены в 1997 г. Практика строительства и эксплуатации показала высокую технологичность и надежность принятых конструктивных решений.
