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. 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.

Рис.1. Усиление подведением стальной балки: 1 — железобетонная балка, 2 — стальная балка.

  Поясним на примере (рис. 1). Железобетонная балка пролётом 6 метров имеет жесткость 81000 кНхм2 (при отсутствии трещин) и в состоянии воспринимать 80% расчетного изгибающего момента М = 290 кНхм. До начала усиления нагрузка на балку снижена наполовину, т.е. изгибающий момент в ней составляет 145 кНхм. Следовательно, из оставшейся половины изгибающего момента 30%М (ΔМb = 87 кНхм) должна воспринять железобетонная балка, а 20%M (Ms = 58 кНхм) — стальная. Поскольку прогибы балок одинаковы (fb = fs), пропорционально этим моментам должны быть и жесткости балок: ΔMb/Bb = Мs/Вs’ откуда Bs/Bb = 2/3, т. е. жесткость стальной балки Bs = 54000 кН хм2. Этой жесткости соответствует прокатный двутавр № 45, напряжения в котором при действии воспринимаемого им момента 58 кНхм 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.
  Чтобы повысить эффективность работы стальных усиливающих балок, нужно создать предварительное напряжение: усиливающую (стальную) балку частично нагрузить, а усиливаемую (железобетонную) частично разгрузить – еще до того, как будет приложена дополнительная внешняя нагрузка.
Выполнить предварительное напряжение можно разными способами. Один из них – оттянуть стальную балку книзу (прогнуть) с помощью подвешенных грузов, а в образовавшиеся между ней и железобетонной балкой зазоры вставить металлические распорки (пластины или пакеты из листов). После снятия грузов стальная балка стремится вернуться в исходное состояние (выпрямиться), но железобетонная этому препятствует. В результате, усиливающая балка нагружена силами, направленными сверху вниз, в усиливаемая – теми же силами, направленными снизу вверх (рис.2). Правда, при этом часть преднапряжения стальной балки теряется.

Рис.2. Предварительное напряжение усиливающей балки: 1 — железобетонная балка, 2 — стальная балка.

  Потери напряжений можно исключить, если подобную операцию осуществлять с помощью гидродомкратов, устанавливаемых на усиливающую балку, с контролем усилий в них по манометру. При таком способе происходит одновременный выгиб железобетонной балки и прогиб стальной. Более простой способ – использование вместо домкратов натяжных или упорных болтов, усилия в которых контролируются по величине взаимного смещения f (суммы выгиба и прогиба) железобетонной и стальной балок (рис. 3).

Рис.3. Усиление подведением домкратов: 1 — железобетонная балка, 2 — стальная балка, 3 — натяжные болты.

  Здесь не были упомянуты потери от обмятия контактных поверхностей, неизбежные при любом преднапряжении. При проектировании усиления их принимают обычно равными 20% начальной величины преднапряжения.  

Приведенный пример показывает, что усиление можно выполнять и без разгружения железобетонной конструкции, если создать в ней усилия обратного знака за счет предварительного напряжения усиливающей конструкции.
  После снятия подвешенного груза F стальная балка жесткостью Bs, получившая прогиб f (рис. 2, а), стремится выпрямиться, т.е. полностью утратить начальные напряжения, но железобетонная жесткостью Bb этому препятствует – она выгибается на величину fb в то время как прогиб стальной балки уменьшается до величины fs (рис. 2, б). Поскольку fs < f/ происходит частичная потеря напряжений, в результате чего железобетонная балка разгружается не всей силой F, а только ее частью ΔF. Эта же часть нагружает и усиливающую балку. Величина Доопределяется следующим образом. Если пренебречь потерями напряжений от обмятия контактных по-верхностей, то f = fb + fs. Тогда f = F(k/Bs), fb = ΔF(k/Bb), fs = ΔF(k/Bs), где k – условный коэффициент пропорциональности, зависящий от схемы приложения нагрузки (подвески грузов). Отсюда ΔF=FBb/(Bb+Bs). Следовательно, чем выше жесткость стальной балки по сравнению с железобетонной, тем меньше величина ΔF, тем больше потери напряжений.