Усиление статически неопределимых стержневых конструкций

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 
Казанский национальный исследовательский 
технологический университет 
М. Н. Убайдуллоев 
УСИЛЕНИЕ СТАТИЧЕСКИ 
НЕОПРЕДЕЛИМЫХ СТЕРЖНЕВЫХ 
КОНСТРУКЦИЙ  
Монография 
Казань 
Издательство КНИТУ 
2022 

УДК 539.37 
ББК 30.121 
У17 
Печатается по решению редакционно-издательского совета  
Казанского национального исследовательского технологического университета 
Рецензенты: 
д-р физ.-мат. наук, проф. Р. А. Каюмов  
д-р физ.-мат. наук, проф. Д. В. Бережной 
У17 
Убайдуллоев М. Н. 
Усиление статически неопределимых стержневых конструкций : 
монография / М. Н. Убайдуллоев; Минобрнауки России, Казан. нац. 
исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2022. – 152 с. 
ISBN 978-5-7882-3259-1
Изложен метод расчета статически неопределимых конструкций, усиленных под нагрузкой. Приведены результаты экспериментальных исследований деформирования конструкций, получивших локальные повреждения 
и усиленных без вывода из напряженного состояния. Представлены аналитические соотношения для определения степени усиления конструкций и результаты расчетов эффективности усиления в зависимости от уровня действующих 
ремонтных напряжений и геометрических характеристик возникших повреждений.  
Предназначена для студентов, аспирантов, преподавателей и научных 
работников, специализирующихся в области механики усиления. 
Подготовлена на кафедре основ конструирования и прикладной механики. 
УДК 539.37 
ББК 30.121
ISBN 978-5-7882-3259-1 
© Убайдуллоев М. Н., 2022 
© Казанский национальный исследовательский 
технологический университет, 2022 
2 

О Г Л А В Л Е Н И Е
Введение ...................................................................................................... 5 
Глава 1. ОСОБЕННОСТИ ВОПРОСОВ ПОВЫШЕНИЯ НЕСУЩЕЙ 
СПОСОБНОСТИ ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ СООРУЖЕНИЙ ................. 8 
1.1. Характер возникающих повреждений строительных 
конструкций 
............................................................................................ 8 
1.2. Механизм изменения несущей способности сооружений, 
усиливаемых без вывода из эксплуатации 
......................................... 13 
1.3. Методы определения несущей способности усиливаемых 
статически определимых конструкций .............................................. 18 
1.4. Оценка эффективности усиления статически определимых 
конструкций при возникновении пластических деформаций 
.......... 24 
1.5. Обзор существующих способов оценки несущей  
способности усиливаемых статически неопределимых 
конструкций 
.......................................................................................... 34 
Глава 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 
УСИЛЕНИЯ СТАТИЧЕСКИ НЕОПРЕДЕЛИМЫХ  
КОНСТРУКЦИЙ ...................................................................................... 39 
2.1. Задачи и методика экспериментальных исследований 
.............. 39 
2.2. Общие закономерности изменения несущей способности 
статически неопределимых конструкций при возникновении  
у них повреждений 
............................................................................... 44 
2.3. Несущая способность статически неопределимых  
конструкций при усилении поврежденных и неповрежденных 
элементов .............................................................................................. 53 
2.4. Влияние прочностных и упругих характеристик ремонтного 
и основного материалов на эффект усиления рамных  
конструкций 
.......................................................................................... 62 
2.5. Несущая способность усиливаемых статически неопределимых 
конструкций при направленном перераспределении жесткостей ....... 67 
3 

2.6. Экспериментальные исследования усиления статически 
неопределимых конструкций с использованием полунатурных 
моделей.................................................................................................. 71 
Глава 3. МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ 
СТАТИЧЕСКИ НЕОПРЕДЕЛИМЫХ КОНСТРУКЦИЙ, 
УСИЛЕННЫХ БЕЗ ВЫВОДА ИЗ ЭКСПЛУАТАЦИИ ........................ 80 
3.1. Общие положения ......................................................................... 80 
3.2. Оценка напряженного состояния конструкций, 
получивших локальные повреждения 
................................................ 81 
3.3. Оценка напряженно-деформированного состояния 
конструкций после их усиления ......................................................... 91 
3.4. Критерии выявления элементов конструкций, 
нуждающихся в усилении ................................................................. 112 
3.5. Метод направленного перераспределения жесткостей 
для усиления статически неопределимых конструкций 
................. 118 
3.6. Примеры расчетов усиления стержневых конструкций 
методом направленного перераспределения жесткостей 
............... 125 
3.7. Несущая способность усиливаемых статически  
неопределимых конструкций с учетом пластических 
деформаций 
......................................................................................... 129 
3.8. Практические рекомендации по усилению статически 
неопределимых конструкций ............................................................ 139 
Библиографический список ................................................................... 146 
4 

В В Е Д Е Н И Е  
В настоящее время для развития экономики страны наряду с новым строительством первостепенное значение приобретает реконструкция действующих промышленных предприятий. Как известно, капитальные вложения, затраченные на реконструкции промышленных 
предприятий, окупаются в 2–3 раза быстрее по сравнению со строительством новых объектов. При этом техническое перевооружение 
и установка дополнительного оборудования приводят к увеличению 
эксплуатационных нагрузок, изменению расчетной и конструктивной 
схемы, что может вызвать необходимость усиления конструкций существующих сооружений. 
В связи с широким освоением нефтяных и газовых месторождений 
в районах Сибири и Крайнего Севера большое значение имеет техническое состояние судоходных гидротехнических сооружений и обеспечение безопасности эксплуатации причальных и портовых сооружений 
в этих районах для осуществления бесперебойных перевозок грузов. Эффективное функционирование портов находится в прямой зависимости 
от состояния портовых сооружений. Характерная особенность большинства портовых гидротехнических сооружений состоит в том, что 
они в процессе эксплуатации постоянно подвергаются наиболее интенсивным и разнообразным внешним воздействиям, что приводит к постепенному снижению их несущей способности. Наиболее типичны 
в этом отношении причальные сооружения, которые воспринимают 
удары и навалы судов, воздействие статических и динамических нагрузок от перегрузочных и транспортных машин и складируемых грузов. 
Во многих случаях сооружения подвергаются агрессивному воздействию окружающей среды (химических грузов, морской воды, блуждающих токов в прикордонной полосе и т. п.), что также приводит к постепенному ухудшению их эксплуатационных качеств. 
Проблема усиления причальных сооружений актуальна и для 
многих рыболовецких хозяйств, поскольку зачастую они находятся 
в неудовлетворительном техническом состоянии. Как известно, 
в настоящее время существующие причальные сооружения рыбопромысловых портов и хозяйств нуждаются в усилении (необходимо увеличить глубину у причалов), а также в устранении износа и повреждений. В большинстве случаев прочность конструкций гидротехнических 
сооружений ограничивается несущей способностью их отдельных 
5 

элементов, поэтому, как правило, в усилении нуждаются не все элементы сооружений, а некоторые из них. Это позволяет добиться значительного повышения эксплуатационных нагрузок на эти сооружения 
при наименьших затратах.  
Проблема усиления существующих сооружений достаточно 
сложна и специфична в научном и инженерном плане. Ее сущность заключается в том, что степень повышения несущей способности сооружений зависит от значений напряжений, которые действуют в них в период усиления. 
Характерная особенность усиления (ремонта) многих эксплуатируемых сооружений состоит в том, что они выполняются без полного 
вывода сооружений из напряженного состояния. Действительно, ремонт, например, причальной набережной с выводом ее из напряженного состояния потребовал бы снятия покрытия территории причала, 
удаления всех рельсовых путей и извлечения грунта засыпки, что, естественно, невозможно по технико-экономическим соображениям. Невозможен также вывод из напряженного состояния стенок шлюзов 
и других гидротехнических сооружений. Учет отмеченного фактора 
диктует необходимость особого подхода к методам проектирования 
и расчета усиления конструкций.  
Как известно [6–9], напряженное состояние двух одинаковых 
элементов конструкции при действии одной и той же нагрузки может 
быть различным в зависимости от последовательности приложения 
нагрузки и формирования геометрии элемента. Учет этого фактора лежит в основе механики усиления эксплуатируемых сооружений 
[6–7, 52], рассматривающей конструкции, геометрия которых меняется 
под нагрузкой.  
На основании исследований в этой области были изданы ведомственные нормативные документы, регламентирующие расчетную 
оценку несущей способности отремонтированных и усиленных строительных конструкций [19, 20, 23]. В них, однако, рассматриваются 
только статически определимые конструкции. Применительно к статически неопределимым стержневым системам какие-либо научные разработки, направленные на создание расчетных методов оценки степени 
восстановления несущей способности усиливаемых и ремонтируемых 
конструкций, практически отсутствовали. Характерной особенностью 
статически неопределимых конструкций в отличие от статически определимых [14, 35] является то, что при возникновении повреждений отдельных ее элементов происходит перераспределение усилий между 
6 

всеми элементами в результате изменившегося соотношения жесткостей. Общие принципы решения этой задачи были сформулированы 
в работе [11]. Отдельные конкретные разработки, выполненные в этой 
области, опубликованы в статье [10].  
Особенностью ряда портовых гидротехнических сооружений является то, что некоторые из их несущих элементов практически недоступны для ремонта и усиления в связи с невозможностью их обнажения в период эксплуатации. В таких случаях актуальным является задача по разработке приемлемых способов усиления конструкций. В работе на базе идей, высказанных А. Я. Будиным [36], предлагается метод 
направленного перераспределения жесткостей. 
Ввиду неизученности рассматриваемой проблемы в рамках настоящей работы понадобилось выполнить достаточно широкий комплекс 
исследований, включающих в себя лабораторные эксперименты, испытания на полунатурной модели и расчетно-теоретической разработки. 
Изложены методы расчета статически неопределимых конструкций, 
усиливаемых без вывода из эксплуатации. Приведены результаты расчетов и их сопоставление с данными экспериментальных исследований. 
На основании выполненных исследований разработаны обоснованные практические рекомендации по проектированию усиления статически неопределимых конструкций, надежность которых подтверждается хорошей сходимостью расчетных, экспериментальных и натурных 
данных. 
7 

Г л а в а  1 .  О С О Б Е Н Н О С Т И  В О П Р О С О В  
П О В Ы Ш Е Н И Я  Н Е С У Щ Е Й  С П О С О Б Н О С Т И
Э К С П Л У А Т И Р У Е М Ы Х  С О О Р У Ж Е Н И Й  
1.1. Характер возникающих повреждений 
строительных конструкций 
В элементах различных конструкций при эксплуатации возникают повреждения, вызванные различными факторами. Приведем некоторые характерные примеры повреждений и ослаблений в конструкциях портовых гидротехнических сооружений. Эти примеры далеко не 
исчерпывают имеющихся случаев разрушений различных сооружений, 
многие из которых описаны в литературе [1, 13, 29, 32, 51, 54].  
Основными причинами повреждений и ослаблений причальных 
сооружений являются удары и навалы судов, агрессивное воздействие 
перерабатываемых на причалах химических грузов, воздействие эксплуатационных взрывов, осуществляемых на причалах для рыхления 
штабелей слежавшихся навалочных грузов, блуждающие токи и токи 
утечки и т. д. [9, 13, 32]. Судоходные гидротехнические сооружения 
подвергаются воздействиям от судов и льда [29]. 
В подавляющем большинстве случаев возникающие повреждения и ослабления элементов конструкций портовых и судоходных гидротехнических сооружений имеют протяженный характер, простираясь 
по длине сооружения на десятки метров. Ниже приведены примеры характерных видов повреждений различных транспортных гидротехнических сооружений в портах на реках, морях и на судоходных каналах. 
При эксплуатации причальных сооружений чаще всего приходится сталкиваться с коррозионными разрушениями металла и эрозионными разрушениями бетона. На рис. 1.1а представлена конструкция 
причального сооружения эстакадного типа. Свайными опорами данной 
конструкции являются короба из шпунта «Ларсен-5». При обследовании данного причала было установлено, что несущие элементы конструкции имели значительные коррозионные повреждения (рис. 1.1б). 
8 

а 
б 
Рис. 1.1. Конструкция причального сооружения эстакадного типа (а) 
и коррозионные повреждения несущих элементов причала (б) 
Специфический характер носят повреждения железобетонных безраспорных причальных сооружений [29]. Весьма характерные коррозионные разрушения железобетонных призматических свай и элементов верхнего строения в сооружениях эстакадного типа, эксплуатируемых в сложных условиях, приведены на рис. 1.2. Наиболее крупные разрушения 
видны на участке сопряжения сваи с ростверком, где осталась только 
сильно погнутая арматура. На других участках сваи в зоне переменного 
уровня оставшийся бетон непрочен и легко выкрашивается. Наблюдаются 
также массовые разрушения железобетонных элементов верхнего строения. Часто сваи разрушаются по всей своей высоте (рис. 1.2б). 
На рис 1.3 видны крупные разрушения железобетонных оболочек 
(заполненных бетоном) причала эстакады за двадцатилетний срок 
службы в одном из портов в западной части Баренцева моря. В наиболее опасной зоне полностью разрушена стенка оболочки и идет интенсивный процесс коррозии бетона внутреннего заполнения. В результате 
обследования технического состояния свайных железобетонных сооружений (эстакад, пирсов), установлено, что основной причиной крупных 
разрушений железобетонных элементов в надводной зоне за двадцатипятилетний срок службы является коррозия арматуры. 
В районах с жарким климатом наряду с коррозией арматуры в порах 
бетона происходит кристаллизация солей морской воды с увеличением 
в объеме, что в конечном итоге также приводит к растрескиванию бетона. 
9 

а 
б 
Рис. 1.2. Разрушение узла заделки свай в ростверк (а) и характер  
повреждений свай причальной набережной Мурманского порта (б) 
Рис. 1.3. Разрушение железобетонной цилиндрической 
опоры (колонны) в зоне переменного уровня в одном  
из северных портов 
На причальных сооружениях в портах Азовского бассейна и северного побережья Черного моря, находящихся в эксплуатации в течение разного периода времени, через 2–3 года после окончания 
10