Введение к работе
Актуальность темы.
Работа посвящена развитию методов расчета колебаний фундаментов сложной формы, воспринимающих динамические нагрузки от установленного на них оборудования, а также разработке новых конструктивных решений, эффективно снижающих уровень вибраций в системе "агрегат - фундамент - основание".
Фундаменты сложной формы и структуры широко применяются в современном строительстве. Особое место занимают фундаменты под энергетическое оборудование, в том числе (в силу своей уникальности и ответственности) мощные турбоагрегаты. Безотказность работы энергетического оборудования в первую очередь связана с обеспечением допустимого уровня вибраций в системах агрегат (машина) - фундамент и фундамент - грунтовое основание. Поэтому актуальной становится задача обеспечения допустимого уровня колебаний во всей системе "агрегат-фундамент-основание" (применительно к турбоагрегатам ТФО).
К настоящему времени накоплен обширный опыт решения разнообразных практических задач, связанных с вибрациями в системе агрегат-фундамент-основание. В частности, для системы ТФО разработаны и используются различные алгоритмы расчета колебаний ее отдельных элементов (статоров турбины и генератора валопро-вода, фундамента, основания), а также колебаний всей системы в целом. Вместе с тем, при расчетно-теоретическом прогнозировании динамических характеристик фундаментных конструкций недостаточно изучены вопросы выбора адекватных расчетных схем, особенно для фундаментов низкооборотных турбоагрегатов.
Стремление к наиболее адекватной расчетной схеме имеет следствием неизбежное усложнение задачи для аналитического решения; численное же исследование также встречает принципиальные трудности из-за большого числа элементов и резкого изменения параметров системы. Поэтому возникает задача построения подхода, сохраняющего простоту инженерных схем и, в то же время, позволяющего строить решения с любой степенью точности и достоверно определять все характеристики напряженно-деформированного состояния.
Важнейшими задачами современной энергетики является реконструкция и модернизация имеющегося оборудования, повышение его вибрационной надежности. Во многих случаях реконструкции
фундаментов под машины с динамическими нагрузками признается целесообразным применение виброизоляции, поскольку она позволяет установить на фундамент более мощное оборудование. Вместе с тем актуальным является и использование конструктивных способов снижения вибраций фундаментов машин, например, присоединение к фундаменту тем или иным конструктивным способом бетонного пола, использование сочлененных с фундаментом бетонных и металлических плит, применение фундаментов с регулируемыми параметрами колебаний и др. Из указанного следует актуальность проводимых исследований.
Связь работы с научными программами.
Выполненная работа связана с решением комплексных проблем по темам ОЦ.002.001.Ц.09.Н6 "Провести исследования и разработать мероприятий по обеспечению и повышению надежности системы турбоагрегат - фундамент - основание вновь создаваемых и перспективных энергоблоков, а также методы прогнозирования их динамической и статической работы" (головная организации ВКИИГ им. Б.Е. Веденеева), а также ОЦ.031.055.16Ц.04.05. СИ "Провести исследования, разработать методы расчета и принципы конструирования фундаментов, воспринимающих динамические нагрузки с использованием эффективных мероприятий по уменьшению уровня колебаний и выдать рекомендации на проектирование в условиях опытного строительства" (головная организация НИИОСП им. Н.М. Герсеванова), по которым в 1980-1990 гг выполнялись НИР 460, 536, 812,853 кафедрой "Основания и фундаменты" и ОНИЛ ЛАМИДОТ при ДИСИ (ныне - ПГАСА). Соискатель являлся также ведущим исполнителем госбюджетной НИР "Прогноз длительных деформаций грунтовых оснований и разработка аналитических методов расчета фундаментов большой площади на действие статических и динамических нагрузок (применительно к АЭС)", выполняемой по темплану Минвуза Украины в 1995-1996гг.
Цель н задачи исследований заключаются в научном обосновании и разработке аналитических методов расчета на колебания фундаментов сложной формы под мощные низкооборотные турбоагрегаты, а также в дальнейшем развитии и внедрении конструктивных способов снижения вибраций фундаментов, воспринимающих динамические воздействия.
Научная новизна полученных результатов:
- обобщены результаты натурных динамических исследований системы ТФО для нескольких головных энергоблоков строящихся
АЭС, выявившие особенности и закономерности динамического поведения двух типов стенчатых фундаментов под низкооборотные турбоагрегаты единичной мощностью 1000 МВт; при этом установлено, что, несмотря на различия инженерно - геологических и конструктивных условий, особенности динамического поведения фундаментов одной конструктивной схемы одинаковы, изменяются лишь численные значения определяемых характеристик;
предложены и реализованы алгоритмы аналитического расчета динамического напряженного состояния, свободных и вынужденных колебаний сложных фундаментных конструкций на упругом и упруго-вязком основаниях;
построено точное решение задачи о вертикальных колебаниях пространственного стенчатого фундамента при гармонической нагрузке, а также выполнен анализ поведения конструкции в переходном режиме, когда нагрузка изменяется во времени по произвольному закону;
выполнена оценка адекватности результатов динамического расчета стенчатых фундаментов по разным схемам на основе экспериментальных данных, полученных при натурных испытаниях систем ТФО;
выявлено влияние крутильной жесткости, несимметрии и ширины поперечных стен при динамическом расчете стенчатых фундаментов;
рассмотрен с единой точки зрения расчет конструкций стенчатых, так и рамных фундаментов на грунтовом основании, а также плитных, опирающихся на сваи под турбоагрегаты;
предложен аналитический метод динамического расчета фундамента с присоединенными плитами, установлена особенность колебаний фундамента, конструктивно сочлененного с плитами, расположенными на грунтовом основании;
предложены перспективные решения фундаментов, воспринимающих динамические воздействия.
Практическое значение полученных результатов исследований;
на основе метода осреднения в сочетании с асимптотическим упрощением промежуточных задач разработана новая аналитическая методика динамического расчета фундаментов под турбоагрегаты большой единичной мощности;
предложенные методы динамического расчета стенчатых и рамных фундаментов мощных турбоагрегатов позволяют определять как основные характеристики (частоты колебаний, перемеще-
ния), так и полное напряженно-деформированное состояние; это делает возможным отказаться в большинстве случаев от дорогостоящих натурных экспериментов для прогнозирования динамических свойств сложных фундаментов под энергооборудование;
наличие простых расчетных формул для определения динамических состояний фундаментов сложной формы существенно экономит время и средства на этапе их проектирования;
снижение вибраций фундаментов обеспечивается путем различного сочленения с ними плит, располагаемых на грунтовом основании, а также применением фундаментов с регулируемыми параметрами колебаний; предложен алгоритм динамического расчета системы основание - фундамент - присоединенные плиты;
Личный вклад соискателя состоит в анализе и обобщении данных натурных динамических испытаний систем ТФО, проведенных с участием автора; в разработке аналитических методов динамических расчетов фундаментов сложной формы для энергооборудования на основе использования асимптотических методик исследований; в проведении экспериментальных исследований колеблющихся фундаментов, соединенных различным типом связей с плитами на грунтовом основании, в дополнении и развитии метода динамического расчета системы "основание-фундамент-присоединенная плита", а также в разработке перспективных решений фундаментов, воспринимающих динамические нагрузки. В основу диссертационной работы положены результаты исследований автора в период 1976-1996 гг.
Апробация результатов исследований осуществлена в ходе натурных динамических испытаний систем ТФО для возводимых в различных инженерно-геологических условиях фундаментов под низкооборотные турбоагрегаты на 6 головных энергоблоках АЭС единичной мощностью 1000 МВт. Результаты исследований с анализом динамического поведения систем ТФО передавались головной проектной организации ХоАЭП и использованы для корректировки проектных решений при последующем строительстве энергоблоков на каждой из площадок. Внедрение отдельных положений работы осуществлено на уровне СНиП, а также путем разового использования рекомендаций по снижению вибраций машин с динамическими нагрузками.
Основные результаты, составляющие содержание диссертации, докладывались и обсуждались на Международном симпозиуме "Фундаменты под машины с динамическими нагрузками" (Ленин-
град, 1989); VI Международном симпозиуме "Проектирование и практика использования вычислительной техники" (Загреб, Югославия, 1984); IV Международной конференции по дифференциальным уравнениям и их применению (Русе, Болгария, 1989); второй Международной конференции "Современные достижения в геотехнике, сейсмостойком строительстве и динамике грунтов" (Ролла, США, 1991); Всесоюзных конференциях по динамике оснований, фундаментов и подземных сооружений (Ташкент, 1977 и 1981; Нарва, 1985; Днепропетровск, 1989); Международных конгрессах по теоретической и прикладной механике Югославии (Бечнчи, 1984; Задар, 1986); I совещании сообщества по механике грунтов и фун-даментостроению Хорватии (Опатня, 1989); Всесоюзном совещании "Фундаментостроение в сложных грунтовых условиях" (Алма-Ата, 1977); Всесоюзной конференции "Экспериментальные исследования инженерных сооружений" (Новополоцк, 1986); Всесоюзных научно-технических совещаниях "Повышение надежности энергетических сооружений при динамических воздействиях" (Москва, 1981; 1987; 1991) її "Проектирование и строительство энергетических объектов в сейсмических районах" (Нарва, 1988); 1 и II Всесоюзном симпозиумах "Устойчивость в механике деформируемого твердого тела" (Калининград, 1981; 1986); Всесоюзной конференции по вибрационной технике (Тбилиси, 1981); III Международной конференции "Проблемы свайного фундаментостроения" (Минск, 1992); Всесоюзном координационном совещании-семинаре "Механизированная безотходная технология возведения свайных фундаментов из свай заводской готовности" (Владивосток, 1988); Пятой Российской конференции по механике грунтов и фундаментостроению (Санкт-Петербург, 1995); Польско-Украинских семинарах "Теоретические основы строительства" (Днепропетровск, 1995; 1997) II Украинской научно-технической конференции по механике грунтов и фундаментостроению (Полтава, 1993).
Публикации. Основные положения работы отражены в монографии и брошюре, а также в 50 печатных работах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, аналитического обзора, двух частей, включающих 6 глав, заключения (общего вывода по работе), списка литературы из 248 наименовании и приложения. Содержит 303 страницы основного текста (без приложения), 55 рисунков и 5 таблиц.
Автор выражает глубокую признательность своему первому научному руководителю к.т.н., доценту Н.С.Швец, способствовав-
шему становлению его как исследователя в период обучения в аспирантуре, а также д. ф.-м. н., профессору И.В.Андрианову за консультации в использовании автором асимптотических методов исследований применительно к динамическим расчетам фундаментов.