автореферат диссертации по строительству, 05.23.02, диссертация на тему:Методы расчета и новые решения фундаментов сложной формы при динамических воздействиях

ПРИДНЕПРОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ СТРОИТЕЛЬСТВА И АРХИТЕКТУРЫ

МЕТОДЫ РАСЧЕТА И НОВЫЕ РЕШЕНИЯ ФУНДАМЕНТОВ СЛОЖНОЙ ФОРМЫ ПРИ ДИНАМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ

05.23.02 — основания и фундаменты

Автореферат диссертации иа соискание ученой степени доктора технических наук

РГ6 ОД

СЕДИН Владимир Леонидович

На правах рукописи УДК 624.131.5:624.15

Днепропетровск - 1997г.

Диссертацией является рукопись.

Работа выполнена в Приднепровской государственной академии строительства и архитектуры (ПГАСА) Министерства образования Украины

Научный консультант:

Заслуженный деятель науки и техники Украины, доктор технических наук, профессор Швед Виктор Борисович, ПГАСА, заведующий кафедрой "Основания и фундаменты".

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук, профессор Ставницер Леонид Рувимович, НИИОСП (г.Москва), заведующий лабораторией динамики грунтов;

- доктор технических наук, профессор Петраков Александр Александрович, Донецкая академия строительства и архитектуры, заведующий кафедрой железобетонных конструкций, оснований и фундаментов;

- доктор технических наук, профессор Почтман Юрий Михайлович, Днепропетровский государственный университет, профессор кафедры вычислительной механики и прочности конструкций.

Ведущая организация

Государственный научно-исследовательский институт строительных конструкций (НИИСК), г.Киев.

Защита состоится " "_1997г. в 13 часов

на заседании специализированного ученого совета Д 03.07.05 при Приднепровской государственной академии строительства и архитектуры, 320005, Днепропетровск, ул. Чернышевского 24-а. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ПГАСА 320005, Днепропетровск, ул. Чернышевского 24-а.

Автореферат разослан " "_1997г.

Ученый секретарь специализированного ученого

совета Карпухина А.К.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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.ОО2.0О1.Ц.О9.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 организация ВИИИГ им. Б.Е. Веденеева), а также (Щ.031.055Л6Ц.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 Л АМИД ОТ 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 и 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, переметце-

ния), гак 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 (Опатия, 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) и "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.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

В аналитическом обзоре приводится анализ развития конструкций фундаментов турбоагрегатов в связи с ростом энергетической мощности последних. Рассмотрено общее состояние динамических исследований и методов динамических расчетов фундаментов под высоко- и низкооборотные турбоагрегаты (соответственно 3000 и 1500 об/мин). Проведен обзор конструктивных способов снижения колебаний фундаментов энергооборудования.

В создание методов динамического расчета фундаментов турбоагрегатов по мере роста их единичной мощности (как систем "агрегат-фундамент", так и в целом ТФО) внесли вклад крупные исследовательские коллективы: Всесоюзного теплотехнического института (Рунов Б.Т. и др.); ВНИИГ им.Б.Е.Веденеева (Шейнин И.С. Аграновский Г.Г., Голдин A.C. и др.); Института проблем машиностроения АН Украины (Щульженко Н.Г., Воробьев Ю.С. и др.); ЦКТИ им.И.И.Ползунова (Олимпиев В.И., Орлов И.И. и др.); ГрузНИИЭГСа (Абашидзе А.И. и др.); НИИОСП им.Н.М.Герсе-ванова (Ильичев В.А. и др.); Московского энергетического института (Костюк А.Г. и др.); Днепропетровского ИСИ (Швец Н.С., Швец В.Б. и др.); заводов-изготовителей турбин ПОАТХ ТГЗ и JIM3 (Косяк Ю.Ф. и др, Фридман В.М. и др.). В разработку и совершенствование конструкций фундаментов под высоко- и низкооборотные турбоагрегаты внесли вклад проектные институты ЛоАЭП и ХоА-ЭП (Бабский Е.Г., Ильин Л.В., Литвин И.С. Кранцфельд Я.Л., Подгорный А.Н., Семижонов Е.М., Русанов М.Е. и др.).

Выполненные исследования показали необходимость учета пространственного характера работы фундамента, а также упругих и демпфирующих свойств основания. Наиболее детально разработаны методы пространственного расчета для рамных фундаментов под высокооборотные турбоагрегаты; значительно меньшее количество работ посвящено изучению динамических характеристик массивных рамно-стенчатых фундаментов под низкооборотные ("тихоходные") турбоагрегаты. Из указанного вытекает необходимость дальнейшего изучения систем ТФО для фундаментов мощных "тихоходных"

турбоагрегатов с целью накопления статистических данных и на этой основе развить общие аналитические методы расчета, пригодные как для стенчатых, так и рамных фундаментов.

Отмечен вклад в экспериментальное и теоретическое изучение вопроса совершенствования методов расчета и снижения уровня вибраций фундаментов машин с динамическими нагрузками следующих ученых: Абашидзе А.И., Аграновского Г.Г., Баркана Д.Д., Ильичева В.И., Кондина А.Д., Коренева Б.Г., Лурье А.И., Павлюка Н.П., Пя-тецкого В.М., Савинова O.A., Сеймова В.М., Ставницера Л.Р., Уздииа A.M., Цейтлина М.Г., Черного Г.И., Швец Н.С., Шехтер О.Я. и др. Показана перспективность использования, наряду с виброизоляциен, конструктивных способов снижеиия уровня вибраций для фундаментов, воспринимающих динамические нагрузки.

Проанализированы работы зарубежных исследователей, внесших существенный вклад в развитие методов расчета систем машн-на-фундамент-основание (в том числе системы ТФО): Вейнера Д., Голембиовской И., Ивонена И.К., Колоушека Р., Ленца М., Маца Ю., Масопуста Р., Новака М., Рауша Э., Рнчардса Т., Пробста П., Фнгца А. и др.

На основе аналитического обзора сформулированы цели и задачи исследований.

Первая часть, состоящая из трех глав, посвящена экспериментальным исследованиям и разработке аналитических методов динамического расчета фундаментов мощных турбоагрегатов.

В главе LI на основе анализа исходных конструкций и используемых расчетных схем рассмотрены особенности динамического поведения системы ТФО и способы определения динамической нагрузки на фундаменты турбоагрегатов.

Динамическому расчету рамных фундаментов посвящено большое количество научных публикаций; расчет стенчато-рамных фундаментов разработан в меньшей степени. Среди методов расчета главенствующее положение заняли численные методы - различные варианты плоских стержневых систем, метода конечных элементов. Во многом этн подходы позволяют удовлетворить запросы практики. Однако их применение сдерживается тем обстоятельством, что они плохо работают в областях резкого изменения параметров и недостаточно эффективны при вариантном проектировании, когда речь идет о многократных расчетах при различных значениях исходных характеристик. Наконец, параметры исходной конструкции и грунтового основания известны лишь с некоторой погрешностью

(часто весьма значительной), поэтому точность численных алгоритмов может оказаться чрезмерной.

В связи с ростом энергетической мощности турбоагрегатов и усложнения пространственной конструкции их фундаментов используемые традиционные подходы, основанные, например, на сведении к системам с небольшим числом степеней свободы, уже не могут удовлетворить практику проектирования. Ставится задача построения аналитических алгоритмов промежуточной сложности, которые, с одной стороны, обеспечивали бы достаточную для современных требований точность, с другой - были бы более просты, чем универсальные численные алгоритмы.

В главе 1.2 приведены данные экспериментальных исследований системы ТФО, методика которых была разработана с учетом опыта исследований рамных фундаментов, проводившихся ВНИИГ им. Веденеева Б.Е., ЦКТИ им. Ползунова И.И., ДИСИ и др.

Натурные испытания выполнялись для рамно-стенчатых фундаментов на разных стадиях возведения энергоблоков и во время эксплуатации. Программа исследований включала следующие этапы: определение динамических характеристик основания, испытания нижней плиты фундамента, фундамента без оборудования, системы статор-фундамент-основание, системы ТФО с полностью смонтированным оборудованием в пусконаладочный период и во время эксплуатации.

Исследования проводились на шести различных АЭС, причем испытывались три фундамента с боковыми конденсаторами и семь фундаментов с подвальными конденсаторами (рис.1,а,б). Возбуждение колебаний системы ТФО выполнялось специальными вибровозбудителями, которые устанавливались на закладные детали (в местах опирания стен при испытании плиты и в местах будущего опирания подшипников при испытании фундамента), а также в корпусе подшипников (при испытании со смонтированным оборудованием); в пусконаладочный период возбуждение колебаний осуществлялось работающим агрегатом. При каждой установке вибровозбудителя последовательно создавалась вертикальная и горизонтально-поперечная гармоническая нагрузка, частота которой изменялась с шагом 1 Гц в интервале от 8 до 30 Гц. Регистрацию колебаний осуществляли комплектом виброизмерительной аппаратуры, позволяющей измерять амплитуду и фазу колебаний точек системы в трех взаимно перпендикулярных направлениях.

Рис. 1 Общий вид испытанных рамно-стенчатых фундаментов под турбоагрегаты мощностью 1000 МВт а - с боковым расположением конденсаторов; б - с подвальными конденсаторами (унифицированная серия)

Динамические характеристики грунтов определялись в тех случаях, когда фундаменты располагались непосредственно на грунтовых основаниях или па специально подготовленной подушке. Испытания производились специальным виброштампом с целью определения параметров жесткости и демпфирования грунтов основания в контуре подошвы фундамента. Методика испытаний и обработки результатов разработана Донецким ПромстройНИИпроектом и ДИСИ. Вблизи мест установки виброштампа предварительно отбирались пробы грунта для установления физико-механических показателей. Возбуждение колебаний и замеры амплитуд вибраций виброштампа осуществляли в диапазоне частот 10...50 Гц, причем особое внимание уделялось диапазону частот 20...30 Гц, близких к рабочей частоте низкооборотных турбин.

Динамические испытания оснований показали, что использованная методика позволяет получать достаточно надежные резуль-

таты для упругих и демпфирующих характеристик связных и несвязных грунтов, при этом расхождения между максимальными и минимальными значениями характеристик для каждой опытной площадки не превышали 25...30%. Была подтверждена зависимость между физико-механическим состоянием грунта и его динамическими характеристиками.

Испытания нижних плит показали, что они обладают конечной изгибной и сдвиговой жесткостью (рис.2,а). В вертикальном направлении нижние плиты обоих типов фундаментов более податливы, чем в горизонтально-поперечном, причем плиты унифицированных фундаментов в целом имеют более высокую жесткость, чем плиты фундаментов с боковыми конденсаторами.

Рис.2 Графики вертикальной динамической податливости нижней плиты (а) и фундамента без оборудования (б) для унифицированной серии

1,2 - места опирания крайних рам; 3,4 - то же соседних стен; 5 - стена, на которую установлен вибровозбудитель; 6 - точка на нижней плите, расположенная в непосредственной близости от нагруженной стены; 7,8 - соседние (слева и справа) не-нагруженные стены

Испытания фундаментов без оборудования выявили, что, несмотря на различные местные условия, общий характер поведения фундаментов одной конструкции остается одинаковым, хотя количественные показатели могут отличаться друг от друга. Это позволяет найти общие закономерности поведения системы в целом. На рис.2,б показаны в зависимости от частоты графики динамической податливости в вертикальном направлении для поперечных стен унифицированного фундамента. Как видно из рис.2,б колебания нижней плиты и поперечной стены фундамента (кривые 5 и 6) в вер-

тикальном направлении по амплитуде практически совпадают (расхождение до 25%). Из указанного следует, что основная часть вертикальных колебаний фундамента определяется прогибом нижней плиты и деформацией грунтового основания. Для фундамента с боковыми конденсаторами отмечена аналогичная картина; однако прогиб нижней плиты существенно ниже (расхождение до 50%), поскольку в конструкции фундамента имеется коробчатый элемент, в силу чего вибрации на нижнюю плиту передаются меньше; в используемом интервале интенсивности нагрузок систему можно считать линейной: динамическая податливость практически не изменялась при увеличении амплитуды гармонической силы на рабочей частоте турбоагрегата в четыре раза (от 25 до 94.7 кН). Закономерности динамического поведения фундаментов для каждой из исследованных серий общие.

Испытания фундаментов со смонтированным оборудованием в пуско-наладочный период показали, что определенные закономерности динамического поведения фундамента без оборудования сохраняются и для условий загрузки его машиной; пригрузка массами установленного оборудования в целом снижает динамическую податливость конструктивных элементов фундамента; особенности динамического поведения фундамента могут быть установлены при выполнении согласно РТМ 108.021.102-85 приемочных испытаний без оборудования; изменение мощности турбоагрегата не оказывает существенного влияния на вибрацию фундаментов.

Для правильного определения спектра колебаний исследуемой стенчатой конструкции фундамента, равно как и его динамического напряженного состояния, необходим учет дискретных элементов (стенок, балок, опор и т.д.). Для этой цели не подходят часто применяющиеся методы, сводящие всю систему к системе с конечным числом степеней свободы. Наличие мест резкого изменения напряженно-деформированного состояния существенно усложняет численное решение задачи.

Выявленный линейный характер работы колеблющейся системы ТФО позволяет использовать аналитические методы динамического расчета фундаментов сложной пространственной формы в виде комбинированно-стенчатой конструкции.

В главе 1.3 представлен динамический расчет фундаментов стенчатого и рамного типа под мощные турбоагрегаты на основе использования асимптотических исследований. Основное внимание уделено расчету фундаментов стенчатого типа как недостаточно

изученных в условиях динамического нагружения от низкооборотных турбоагрегатов.

Основными математическими методами, используемыми в работе (раздел 1.3.1), являются методы асимптотического анализа, осреднения, Вишика-Люстерника, двух масштабов; причем, метод осреднения (в предлагаемой модификации) впервые рассмотрен в диссертационной работе. В развитие асимптотических методов исследований отмечен вклад Андрианова И.В., Бахвалова Н.С., Гейзена P.E., Маневича Л.И., Нерубайло Б.В., Образцова И.Ф., Павленко A.B., Панасенко Г.П., Почтмана Ю.М. и др.

В разделе 1.3.2. на основе проведенных натурных экспериментов предлагается метод динамического расчета массивных стенча-тых фундаментов на вертикальные колебания. Учитывается, что вертикальные колебания определяются главным образом прогибом нижней плиты и основания; рамы колеблются независимо от соседних стен, на которые передается основная динамическая нагрузка; систему можно считать линейной. Для расчета вертикальных колебаний наиболее загруженной части унифицированного фундамента рассматривается плита с ребрами-стенками, жесткость которых при изгибе конечна. Плита лежит на упруго-вязком линейно деформируемом основании; на краях плиты приняты граничные условия равенства нулю углов поворота и перерезывающих сил.

В этом случае симметрия системы дает возможность получить точное решение задачи как для собственных, так и для вынужденных колебаний. В частности, для определения собственных частот получается достаточно сложное трансцендентное уравнение, анализ которого показал следующее. Нижняя оценка собственных частот системы дается частотами колебаний гладкой плиты и ребра-балки, верхняя оценка представлена собственными частотами конструк-тивно-ортотропной пластины. Из всех собственных частот рассматриваемой системы можно выделить следующие группы:

а) частоты колебаний без "захвата" ребер, соответствующие колебаниям гладкой пластины с преимущественным волнообразованием в направлении ребер;

б) частоты "пластинчатых защемленных на ребрах" форм колебаний, которые при малых значениях могут быть найдены по кон-структивно-ортотропной теории, а при больших - как частоты колебаний гладкой пластины;

в) "балочные" частоты колебаний, при малых значениях определяемые по конструктивно-ортотропной теории, а при больших -

как частоты собственных колебаний ребра-балки.

Для расчета на вынужденные колебания применяется преобразователь Лапласа по времени. Получено точное решение в области изображений по Лапласу и указан эффективный приближенный способ аналитического построения оригинала. В качестве примера в работе исследовано поведение фундамента и построена функция зависимости деформаций от времени в первый момент после приложения нагрузки в виде отдельного импульса. В конце раздела приведена оценка основных результатов теоретического анализа динамического поведения рассматриваемой конструкции и указана область возможного практического применения полученных решений. Кроме того, получено точное решение задачи о расчете стенчатого фундамента прн учете ширины стен.

Методика динамического расчета собственных колебаний фундаментов стенчатого типа в общем случае описана в разделе 1.3.3. Расчетная схема - изгибные колебания ребристой плиты на упругом основании приведена на рис.3.

Первая задача - определение частот и форм собственных колебаний прямоугольной (0<х<Ь,. -Ь^у^Ьг) плиты на упругом винклеровом основании жесткости с,, подкрепленной регулярным силовым набором из К=2к+1 ребер изгибной жесткостью ЕС1 и плотностью рсР. Исходное уравнение можно представить в следующем безразмерном виде:

[1 + + + №„1Ч1Ч1Ч1 + [с - Я(1 + РФ(ф))^ = 0, (1)

где (5,П1) = (х,у)/2Ь2; Р=

РсР

с =

16с,

р0ЬЬ' " О

ОДИ-О

ЕС1 у , 2ц Е)Ь Ь N-1

16(0 р ЬЦ? «цм-и

Х--0 ,; Ф(ф) = 2 6(ф — 0; 5(....)-дельта-функция Дирака.

Б -0.5(Ы-1)

Краевые условия:

= =0 ПРИ 11 =±0'5; =0 "Ри § = » ' = ■ (2)

Будем считать параметр е = Ь/2Ь2, характеризующий частоту расположения ребер, малым (е«1). Для задач фундаментостроения соотношения исходных параметров отличны от рассмотренных ранее в литературе (в нашем случае рю2гЕН4,с гОМ+,а ге-1), поэтому предельные системы имеют другой, по сравнению с известными результатами, вид. Принимаем параметр р г 1 в силу его незначительного влияния при построении асимптотики и используем метод двух масштабов, вводя вместо одной переменной две: "медленную" п и "быструю" ф = -л 1 /е. Тогда

д = д | ! д

Перемещение и квадрат частоты х представляем в виде разложений:

w = w(K)(4)rl) + Ew0,(4,тl)4•Б2w02(4,Il)+...+e3[w1(4,■п,ф) + Ew2(4,тl,<i>)+...];

к= е_1Х,0 . (3)

После подстановки разложений (3) в уравнение (1) и граничные условия (2) и расщепления по е получаем рекуррентную систему краевых задач:

в*

\У1<рф<рф

с+аФ—х-^оО + рФ)

З4

XV

2<рщхр ~ — Я-1 + С ЧГ2 +

-А

с + аФ-^-ХоО + рФ)

(4)

w

(«И

=

при 4 = 0,£

при л = ±0.5 Ш(а)п = - , ху(«)птт = - .

Выполним в соотношениях (4) осреднение, применив к каждому

слагаемому оператор

! И*;1) 4 нТТ

N + 1 -Я.5{Ы+1)

При этом й'м = и/ад, Ф = 1, = 0, а осредненные краевые задачи принимают вид

По«'00 г

<э4

^оо = 0; (5)

п0«0,-я.,(1 + р)«00 = -\74*у00; (6)

при £,=0,( IV^ = -\у{;_2)|;= ; (7)

при Т| = ±0.5 ду(0))л = -5г(й-2)п; ™(й)тт = - Щ1-г)тц. (8)

Быстропеременные периодические функции определяются из соотношений

+™2 -4\¥1<тч -А.,р№00; (9)

приФ = ±1, 1 = = = (10)

Функции не удовлетворяют граничным условиям при £ = 0,£, поэтому необходимо построение решения пограничного слоя Wп• Для этой цели вводим быструю переменную и представ-

ляем функцию в виде разложения

+ ть-ф,Ч>)+-) О1)

Составляющие разложения (3) определяются краевыми задачами: ^п!у^ЧТ ^п1ф<р<рф = (12)

при ф = 0,1 = О, = о,

при 11/ = О, е-1 £ \уп1ч, = 0, = 0, (13)

Рекуррентные системы краевых задач (5)-(Ю), (12),(13) позволяют определять частоты и формы колебаний с точностью до любой степени е, однако на практике, как правило, достаточно ограничиться первыми членами соответствующих разложений.

n

Поправки к квадрату частоты ^ находятся из выражений следующих приближений.

Оценка достоверности построенных решений здесь и далее осуществлялась следующим образом. Во-первых, известные точные решения частных задач разлагаются в ряды по используемому параметру. Соответствующие члены разложений совпадают с решениями по предлагаемой в работе методике. Во-вторых, сравнения результатов расчета по полученным формулам с известными в литературе численными и экспериментальными данными также подтверждают достаточную точность первых приближений.

Полученные аналитические решения реализованы на ЭВМ, а результаты расчетов отражены на рис.4-7 для стенчатых фундаментов под турбоагрегаты мощностью 1000 МВт.

На рис.4 представлены кривые зависимостей главных собственных частот колебаний фундамента от соотношения жесткостей с,/бЕ =с в диапазоне Ю-6 - Ю-1 , где Е- модуль Юнга бетона фундамента, С| - жесткость основания. Установлено, что влияние жесткости основания на главные собственные частоты незначительно. Различия в частотах между минимальными и максимальными значениями с не превышают 6%.

На основе анализа поведения кривых 1-3, изображенных на рис.5, можно утверждать, что увеличение плотности материала стенок приводит к увеличению первых собственных частот. Кривой I соответствует а=1, 2 - а =50, 3 - а=80.

На рис. 6 изображены графики зависимостей главных собственных частот от соотношения приведенных жесткостей а. Установлено, что с увеличением инерционных и жесткостных характеристик верхнего строения фундамента наблюдается рост собственных частот в диапазоне а = 1-80. На участке а =80-132 происходит замедление этого процесса, а на участке а = 132-180 - стабилизация частот примерно на одном уровне. Кривой I соответствует значение р=0,1, 2-р = 1, 3-р=3, где р=рс/р0.

Формы собственных колебаний стенчатых фундаментов изображены на рис.7. Ситуация, отраженная на этом рисунке, является общей - перемещение \у (кривая 3) состоит из "медленной" (осред-ненной) составляющей \уо (кривая 2) и "быстрой" с периодом, равным расстоянию между ребрами, поправки \¥1 (кривая 1). На основе анализа поведения кривой 3 можно утверждать , что прослеживается тенденция роста амплитуд собственных колебаний по на-

правлению от края плиты к ее центру, где и находятся максимальные значения. Сравнение с точным решением, полученным в 1.3.2, (кривая 4) подтверждает применимость метода.

В разделе 1.3.4 приведен расчет АЧХ вынужденных колебаний стенчатых фундаментов на примере задачи об изгибных колебаниях ребристой плиты при нагружении вертикальными сосредоточенными силами в центре ребер - стенок по продольной оси плиты. Ребра-

Рис.4 Зависимость частоты ко- Рис.5 Оценка относительной лебаний от жесткости основания плотности на основную частоту

колебаний

Рис.6 Влияние относительной жесткости на частоту главных колебаний

Рис.7 Форма собственных колебаний стенчатого фундамента

стенки рассматривались в рамках упрощенной плоской теории упругости (Маневич Л.И., Павленко А.В., Коблик С.Г.)- Применялись интегральное преобразование Лапласа по времени и метод разделения переменных.

В результате получились две бесконечные системы связанных алгебраических уравнений, имеющих явное диагональное преобладание. Для их решения применялся асимптотический метод, суть которого состоит в следующем. В начале в уравнения при не диагональных членах вводится искусственный малый параметр е и разыскиваем решение в виде ряда по е, а затем принимается е=1. Для перехода от изображений к оригиналам использованы известные формулы и теоремы. Получены два приближения; для преодоления локальности разложений применялся метод аппроксимаций Паде.

Ниже приводится сопоставление результатов динамических расчетов с данными экспериментов для фундаментов под турбоагрегат серии К-1000. На рис.8 изображены АЧХ вертикальных колебаний четвертой стенки фундамента. На основе аналитической методики определены АЧХ вертикальных колебаний плиты с семью поперечными ребрами и сосредоточенной гармонической нагрузкой на каждом из них. Коэффициент упругого равномерного сжатия основания принят равным 30000 кН/м3.

На рис. 9 показаны результаты расчета вертикальных колебаний 1-3 стенок фундамента при установившихся колебаниях. На рис.10 изображены АЧХ второй стенки при пуске турбоагрегата и наборе оборотов до рабочей частоты. Кривые зависимостей АЧХ фундаментов от величины жесткости основания, показанные на рис.11, свидетельствуют о незначительном влиянии жесткости на результаты в рассматриваемом практически важном диапазоне ее изменения.

Сопоставление экспериментальных и расчетных данных подтверждают возможность практического использования предложенного аналитического метода динамического расчета стенчатых фундаментов.

Для обоснованного применения полученных упрощенных соотношений нужно четко представлять себе влияние отбрасываемых факторов. Решению этого вопроса посвящен раздел 1.3.5. В нем проведен учет крутильной жесткости поперечных стенок; несимметрии поперечных стенок относительно срединной поверхности плиты и их жесткостей на изгиб из плоскости; ширины поперечных стенок.

Рис.8 АЧХ вертикальных холебаний Рис.9 АЧХ расчетных вертикаль, четвертой стенки турбоагрегата в ра- ных колебаний 1,2 и 3 стенок фун-бочем режиме I - расчет; 2 - зкспери- дамента при установившихся коле-мент баниях

Рис.10 АЧХ второй стенки в переход- Рнс.11 Зависимость АЧХ от жест-ном режиме 1 - расчет; 2 - эксперимент кости основания I - жесткое; 2 -

податливое

Задача о колебаниях фундаментов рамного типа в большей мере, чем задача для стенчатого фундамента, поддается дискретизации и поэтому достаточно хорошо изучена. В связи с этим в разделе 1.3.6 приведены лишь основные результаты аналитического исследования. В качестве примера расчета рассмотрена задача, для которой известно (ЛоТЭП) численное решение и экспериментальные данные - фундамент под турбоагрегат ТКД-200. Конструкция фундамента представляет собой массивную монолитную железобетонную раму, смонтированную на нижней железобетонной плите. Рама состоит из восьми стоек (железобетонных колонн) одинакового сечения (2000 х 2500 мм) и высоты (4200 мм), жестко соединенных в верхней части поперечными и продольными балками различной

длины и сечений. Нижние части стоек жестко защемлены в нижней монолитной железобетонной плите. Длина плиты 38м, ширина 7.8м, толщина Зм, ЖССТКОСТЬ ОСНОВАНИЯ 19000 кН/м5;Сгтах=105000

кН/м3; модуль упругости

бетона Еб=2.9-10'гкН/м2; Сб=1.16-10 ' кПа; коэффициент Пуассона у=0.16.

Частоты колебаний фундамента, полученные на ЭВМ методом конечных элементов (МКЭ), приведены в таблице 1. Здесь же приведены данные расчета предложенным способом. Сравнение соответствующих результатов показывают нх близость. Однако предлагаемый метод более эффективен на стадии вариантного проектирования.

Таблица 1 Сравнение расчетных частот

Предлагаемый метод,Гц 2.52 4.84 5.2 Ю.О 13.6 14.7 21.9 26.3 36.4 43.4 64.7

МКЭ, Гц 2.8 5.0 6.4 13.5 13.9 14.6 20Л 24.8 34.6 44.2 56.3

В этом разделе предложен метод расчета фундаментной плиты на свайном основании, учитывающий совместную работу свай и ростверка. В соответствии с идеей метода осреднения решение представляется в виде суммы трех составляющих. Первая соответствует решению задачи о динамике или статике фундаментной плиты на упругом зинклеровом основании с некоторым приведенным параметром жесткости; вторая - "быстрая" составляющая, меняющаяся с периодом размещения свай в двух направлениях; третья - пограничный слой, сосредоточенный вблизи краев плиты.

Полученное решение позволяет определить усилие в сваях с учетом пространственной работы всей конструкции при различных граничных условиях на контуре пластины и различных условиях сопряжения свай, причем даже при малом числе свай точность расчета вполне удовлетворительна.

Во второй части работы предложены конструктивные решения, позволяющие уменьшить деформации фундаментной плиты и снизить вибрации фундаментов и проведено их исследование.

В главе 2.1 приведен вывод дифференциальных уравнений совместных колебаний фундамента и присоединенных плит, описывающих основные используемые на практике виды соединения фундамента с плитами: горизонтальные и вертикальные вязко-упругие связи; жесткое соединение; шарнирно-подвижная и шарнирно-

неподвижная связи. На основе построенных уравнении проведены теоретические исследования влияния параметров фундамента, плит и характеристик грунтового основания на амплитуды вынужденных и частоты собственных колебаний фундамента.

На рис.13 приведены кривые, отражающие результаты исследования влияния изменения жесткости грунтового основания под плитами (сплошная линия) и под фундаментом без плит ( пунктирная линия) на уменьшение вибрации фундамента. В расчетной схеме принято, что плиты располагаются симметрично относительно фундамента и жестко сочленены с ним. В зоне низких частот, где ш<0.8 для фундамента без плит и а><1.2 для фундамента с присоединенными плитами, увеличение жесткости основания под плитами существенно более эффективно, чем под фундаментом, причем в первом случае зона частот эффективного гашения колебания шире. Применение плит в зоне высоких частот юЗ:2 неэффективно.

Важно отметить, что эффективность плит при борьбе с вертикальными колебаниями на порядок ниже, чем для снижения уровня горизонтальных и вращательных колебаний. Так, зона частот эффективного гашения уменьшается в этом случае до ©21.2.

Анализ других расчетных случаев показывает, что самая эффективная схема присоединения плит - жесткая заделка в фундаменте, затем - шарнирно-неподвижное и шарнирно-подвижное соединения. О влиянии других параметров на колебания системы "основа-нне-фундамент-присоединенные плиты" на основе анализа расчетов можно заключить следующее: уменьшение высоты расположения плит относительно центра инерции фундамента ведет к резкому уменьшению их эффективности в зоне низких частот; влияние диссипации существенно лишь в узких резонансных зонах и может не учитываться при расчете низкочастотных колебаний в зоне до первого резонанса; влияние гибкости плит существенно в резонансных зонах для вертикальных и вращательных колебаний и несущественно, кроме зоны второго резонанса, для горизонтальных; при со>3 плиты можно во всех случаях считать жесткими.

Исследовано влияние присоединенных плит на частоты собственных колебаний системы "основание-фундамент-присоединенные плиты". Важность этого вопроса обусловлена необходимостью отстройки частот колебаний фундамента от резонансов. Наиболее эффективным способом одновременного повышения всех резонансных частот фундамента с плитами является увеличение площади плит или жесткости основания, которое можно осуществить за счет уп-

лотнения грунта под ними, замены естественного грунта более жестким, применением коротких набивных свай и др. Самая эффективная схема соединения фундамента с плитой для отстройки резонансных частот является жесткая заделка.

Полученные результаты теоретического анализа позволяют заключить: присоединение плиг приводит к повышению собственных частот колебаний фундамента и их можно использовать для отстройки резонансных частот; за счет увеличение высоты расположения плит относительно подошвы фундамента можно увеличить собственную частоту горизонтальных колебаний; при определении собственных частот плиты можно считать жесткими и не учитывать демпфирование. Установлено, что присоединение плит приводит к появлению новых резонансов системы, однако они лежат существенно выше резонансов одиночного фундамента.

Экспериментальными исследованиями (глава 2.2) установлено, что:

- присоединенные плиты оказывают существенное влияние на параметры горизонтально-вращательных колебаний массивных фундаментов, при этом амплитуды колебаний фундамента в дорезо-нансной зоне и в зоне первого резонанса уменьшаются, а резонансная частота повышается;

- применять присоединенные плиты для снижения вертикальных и горизонтально-вращательных колебаний массивного фундамента в зоне второго резонанса нецелесообразно;

- увеличение площади плиты и ее давления на грунтовое основание способствует снижению амплитуд колебаний фундамента и увеличению собственной частоты системы "основание-фундамент-присоединенные плиты".

Проведенными экспериментами подтверждена правильность полученных теоретических результатов. Сравнение теоретических и экспериментальных результатов приведено на рис. 14, из которого видно, что совпадение кривых I и 2 удовлетворительное, особенно в зоне низких частот. В резонансной зоне расхождение составляет 17%.

Аналитическое исследование при некоторых дополнительных упрощающих предположениях позволило получить формулы для подбора параметров присоединяемых плит, необходимых для снижения амплитуд вынужденных горизонтальных колебаний фундамента в п раз.

Для общего случая колебаний исследуемой системы получены формулы для определения амплитуд вынужденных колебаний фундамента в предположении, что фундамент рассматривается как

Рис. 13 Зависимость уменьшения в п раз амплитуд

колебаний фундамента после присоединения плит от

безразмерной частоты

I - к =0.5; 2 - 0.75; 3-1.0; где к=к*/кх;

к* - дополнительная жесткость;

к* - коэффициент жесткости основания при упругом

равномерном сдвиге

1х. мпя

№

Нх.МКМ

гьо

200

т

т

60

и?

—ь-

[\1 2

1\

\

и/ -1 >

/

160

т

и

у! к£.

J *

о ю го и,гц

о ю го и, Гц

Рис.14 Сравнение теоретических и экспериментальных значений амплитудно-частотных характеристик фундамента с присоединенными плитами при а - без боковой засыпки; б - при ее наличии; 1 ■ эксперимент; 2 - теория.

сосредоточенная масса, а плиты - как балки на упругом основании.

Практические рекомендации по применению конструктивны? решений, обеспечивающих снижение уровня вибраций фундаментов машин, а также внедрение результатов исследований отражены е главе 2.3.

Способ уменьшения колебаний фундаментов при помощи присоединенных плит ориентирован, в основном, на стационарный режим работы машин. Колебания фундаментов машин, отмечаемые при переходных режимах (например, при переходе через резонанс в процессе разгона и выбега), могут быть снижены (раздел 2.3.1) за счет применения системы машина-фундамент-плита с регулируемыми в процессе работы параметрами. Предложенное устройство (авт. свидетельство 947291 СССР), которое размещается на плите, позволяет оперативно без останова машины изменять жесткость связи фундамента с присоединенной плитой и тем самым уменьшать амплитуду его колебаний. Опытная проверка на испытательном полигоне фундамента с регулируемыми параметрами колебаний подтвердила эффективность изменения амплитудно-частотной характеристики системы в процессе работы, возможность отстраиваться от резонансной частоты и значительно (в 3-5 раз) снижать амплитуду колебаний. Предложенная конструкция позволяет уменьшать амплитуду колебаний фундамента не только при переходных режимах, но и при нарушении любых параметров колеблющейся системы, например при изменении в процессе эксплуатации характеристик грунтов и оснований, массы системы или угловой скорости машины после ее модернизации.

Рекомендации по практическому использованию присоединенных плит (раздел 2.3.2) базируются на результатах проведенных исследований, показавших принципиальную возможность получения системы машина-фундамент-плита с требуемыми амплитудно-частотными характеристиками. Так, использование присоединенных плит для вновь проектируемых фундаментов целесообразно в тех случаях, когда по условиям обеспечения допустимой амплитуды колебаний площадь фундамента значительно превышает габариты размещенной на нем машины. При усилении и реконструкции присоединенные плиты размещают рядом с фундаментом или на некотором расстоянии от него. Для каждого из исследованных типов сочленений (шарнирно-подвижное, шарнирно-неподвижное, жесткое и упругое) даны практические рекомендации по расчету параметров плит, их размещению в плане, высоте расположения плит по отно-

шенню к центру масс установки; сформулированы требования к основанию и к конструктивному решению узла сочленения плиты с фундаментом. Присоединенные плиты наиболее целесообразно применять для уменьшения вибраций фундаментов низкочастотных машин, работающих в дорезонанснон зоне.

Присоединенные плиты использованы для снижения вибраций фундаментов энергооборудования на Углегорской и Запорожской ГРЭС. Опыт их применения (раздел 2.3.3) подтвердил важное теоретическое положение о том, что такие плиты, увеличивая жесткость системы, могут быть эффективно использованы для отстройки ее от резонанса. Экономический эффект от внедрения составил 150 тыс. руб. в ценах 1980 года. Кроме того, результаты исследования автора по присоединенным плитам, как одному из эффективных конструктивных способов снижения вибрации фундаментов машин с динамическими нагрузками, нашли отражение в виде самостоятельного раздела в подготовленном НИИОСП к изданию "Руководстве к СНиП 2.02.05-87".

Как показали экспериментальные исследования, наиболее эффективна работа присоединенных плит в случае жесткого сочленения с фундаментом. В роли таких плит могут выступать и специальные консольные выступы в виде жестких железобетонных ребер. Такие ребра, как и плиты, устраивают с двух или четырех сторон по периметру фундамента. Для усиления фундамента под машины с динамическими нагрузками часто используют железобетонные обоймы. Когда применение обойм усиления обусловлено не только фактом нарушения целостности фундамента, но и необходимостью снижения колебаний, могут быть использованы также включенные в обойму сваи - буровые, набивные, залавливаемые тон или иной длины. Использование выносных свай возможно и в случаях включения их в совместную работу с присоединенными плитами или жесткими ребрами. Такое конструктивное решение может быть применено и для устройства вновь проектируемых фундаментов под машины в относительно слабых грунтах.

Общий экономический эффект от внедрения результатов исследований составил более 600 тыс. руб. в ценах 1980 - [990 годов. Отдельные положения выполненных исследований нашли отражение в СНиП 2.02.05-87 "Фундаменты машин с динамическими нагрузками" (автор входит в коллектив составителей).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ (общие выводы по работе)

1. В работе предложены и реализованы алгоритмы аналитического расчета динамического напряженного состояния, свободных и вынужденных колебаний сложных пространственных конструкций фундаментов на упругом и упруго-вязком основаниях. Указанные аналитические решения базируются на асимптотических методах, в частности, методах осреднения и асимптотической декомпозиции. При этом осредненные соотношения выступают в качестве первого приближения, а учет реальной структуры конструкции производится при помощи асимптотического интегрирования дифференциальных уравнений с быстропеременныии правыми частями и граничными условиями.

Для определения парциальных частот производится декомпозиция системы. Существенно, что, наряду с перемещениями и частотами колебаний, достоверно определяется и полное напряженно-деформированное состояние конструкции.

2. Предложенные алгоритмы использованы при расчете стенча-тых и рамных фундаментов на естественном и свайном основаниях под турбоагрегаты большой мощности. С целью выяснения основных качественных особенностей поведения системы турбоагрегат -фундамент - основание для мощных турбоагрегатов, построения реалистичных расчетных схем и выявления возможности их упрощения проведены комплексные натурные динамические испытания. Испытания по разработанной методике позволили получить большой объем достоверной информации без нарушения графика строительно-монтажных работ.

3. Результаты натурных динамических исследований системы ТФО выявили, что фундаменты рамно-стенчатой конструкции под низкооборотные турбоагрегаты мощностью 1000 МВт имеют общие особенности динамического поведения, несмотря на различия конструктивных схем и грунтовых условий.

Динамические исследования выполнены для двух конструктивных схем фундаментов турбоагрегатов (с боковым - выносным и с подвальным расположением конденсаторов), на естественном, искусственном и свайном основаниях, при этом установлено:

-использованные методики проведения динамических испытаний грунтов и обработки экспериментальных данных обеспечивают достаточно надежные результаты; расхождения между максималь-

ными и минимальными значениями определяемых жесткостных и демпфирующих характеристик на опытной площадке не превышают 30%;

-нижние плиты фундаментов обладают конечной изгибной и сдвиговой жесткостью, которые необходимо учитывать при расчете фундаментов на динамические воздействия; максимальные значения амплитуд колебаний и динамической податливости обнаружены на концах плит;

-вертикальные колебания фундаментов определяются, в основном, деформациями нижних плит и грунтового основания; динамическая податливость конструктивных элементов фундаментов в вертикальном направлении ниже, чем в горизонтально-поперечном;

-пригрузка фундамента массами установленного оборудования снижает динамическую податливость его конструктивных элементов.

Выявленный натурными динамическими исследованиями линейный характер работы колеблющейся системы позволяет использовать аналитические методы динамического расчета фундаментов комбинированной рамно-стенчатой конструкции.

4. Натурными динамическими исследованиями выявлено, что для правильного определения спектра колебаний исследуемой рамно-стенчатой конструкции фундаментов, равно как и его динамического напряженного состояния, необходим правильный учет дискретных элементов (стенок, балок, опор и др.). Для этой цели не подходят методы расчетов, сводящие всю систему к системе с конечным числом степенен свободы, а также приемы, заменяющие исходную дискретную систему некоторой однородной. Наличие мест резкого изменения напряженно-деформированного состояния существенно усложняет численное решение задачи.

Использование асимптотических методов показало, что для некоторых огрубленных схем (однако более корректных, чем применяемые в обычной инженерной практике) возможно построение точных решений, которые могут служить эталоном при оценке численных и приближенных аналитических методов. В частности, 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.

Анализ точного решения позволил выделить предельные случаи, в совокупности описывающие все явления в целом. Сопоставление экспериментальных и расчетных данных подтверждает возможность практического использования предложенного метода динамического расчета массивных стенчатых фундаментов.

5. Построены аналитические выражения для спектра частот и форм собственных колебаний, а также найдены аналитические выражения АЧХ фундаментов стенчатого типа при вынужденных колебаниях.

Исследовано влияние жесткостных и инерционных характеристик верхнего строения, плотности материала стенок, жесткости основания на главные собственные частоты и АЧХ вынужденных колебаний фундаментов турбоагрегатов. Установлено, что инерционные и жесткостные параметры верхнего строения оказывают существенное и сложное влияние на главные собственные частоты системы; увеличение плотности материала стенок приводит к росту собственных частот фундамента; влияние жесткости основания на собственные частоты и АЧХ вынужденных колебаний фундамента незначительно в рассматриваемом практически важном диапазоне ее изменения.

6. С единой точки зрения рассмотрен расчет конструкций как стенчатых, так и рамных фундаментов на естественном и свайном основаниях. Для этого вначале строятся осредненные соотношения, которые в ряде случаев подвергаются дальнейшему упрощению с целью построения аналитических решений. Затем достраиваются локальные решения, учитывающие присущие задаче особенности и основные характерные параметры рассматриваемых конструкций фундаментов.

Основным преимуществом предложенного аналитического подхода является возможность во многих случаях отказаться от дорогостоящих натурных испытаний при прогнозировании динамических особенностей поведения стенчатых фундаментов под турбоагрегаты.

7. Для подавления нежелательных колебаний фундаментов предложены и исследованы новые конструктивные решения, заключающиеся в присоединении к фундаменту различными способами (через шарниры, жесткие защемления и упругие связи) железобетонных плит, расположенных на грунтовом основании.

Получены уравнения совместных колебаний такой системы ос-нование-фундамент-присоединенные плиты (ОФПП), уточняющие

ранее полученные автором решения. Разработаны алгоритмы определения частот собственных амплитуд вынужденных колебаний такой системы. На основе теоретических и экспериментальных исследований, охватывающих широкий диапазон изменения параметров системы, установлены основные закономерности влияния плит на колебания фундамента при различных узлах связи и оценена относительная эффективность и область применимости рассматриваемых конструкций. Предложены также упрощенные расчетные формулы, позволяющие подбирать необходимые параметры присоединенных плит для снижения уровня вибраций фундаментов под машины, создающие горизонтальные низкочастотные динамические нагрузки.

8. Разработаны расчетные схемы фундамента с присоединенными плитами, учитывающие все основные факторы (массу и жесткость плит, жесткостные и диссипативные характеристики основания и элементов связи). Получены дифференциальные уравнения движения системы ОФПП как для жестких плит, так и при учете упругости последних.

Составлены практические рекомендации по расчету параметров присоединенных плит из условия снижения уровня вибраций фундамента. Успешный опыт применения плит для уменьшения колебаний фундамента под экергооборудование подтвердил основное теоретическое положение о том, что за счет увеличения жесткости системы присоединенные плиты могут увеличивать демпфирование в системе ОФПП и использоваться для отстройки от резонанса.

Результаты исследований по присоединенным плитам, как одному из эффективных конструктивных способов снижения вибраций фундаментов машин с динамическими нагрузками, нашли отражение в подготовленном к изданию проекта "Руководства к СНиП 2.02.05-87" в виде самостоятельного раздела.

9. Предложена и опытно проверена конструкция фундамента с регулируемыми в процессе работы параметрами, которая позволяет оперативно, без остановки машины, изменять жесткость связи основного массива с присоединенной плитой, существенно уменьшать (в 3 - 5 раз) амплитуды колебаний фундамента при переходных режимах работы машины и тем самым отстраиваться от резонансной частоты.

10. Внедрение отдельных положений выполненных исследований осуществлено на уровне СНиП 2.02.05.87 "Фундаменты машин с динамическими нагрузками" (автор диссертации входит в число участников коллектива составителей).

По теме диссертации под научным руководством и при научной консультации автора подготовлены и защищены две кандидатские диссертации (Демьяненко В.В. н Ермолинский A.B.). Основное содержание диссертации отражено в 52 опубликованных работах, часть из которых приведена ниже.

1.Седин В.Л. Развитие аналитических методов расчета фундаментов сложной формы для энергооборудования.- Днепропетровск, 1996 - 3.6 пл.

2.Швец Н.С., Седин В.Л., Киричек Ю.А. Конструктивные способы снижения вибраций фундаментов машин с динамическими нагрузками. -М.: Стройнздат, 1987.-152с. (Доля автора 35%, фундаменты с присоединенными плитами)

3.Седин В.Л. Колебания фундамента с учетом присоединенных плит // Основания и фундаменты. -K.:EyflÍBeflbHHK. - 1979.- Вып.12.-С.75-79.

4.Седин В.Л. Колебания фундамента с присоединенными плитами // Основания и фундаменты. -К.:Буд1вельник. - 1981- Вып.14,-С.57-60.

5.Седин В.Л. Практические рекомендации к расчету параметров присоединенных плит //Динамика оснований, фундаментов и подземных сооружений (Материалы Всесоюзной конференции, Ташкент, 8-10 декабря, 1981, т.1).- М.:НИИОСП.- 1981.- С.346-347.

ó.Sedin V. Prigusenje vertikalnih vibracija kritih temelja dodatnim plocame II Mehanica cvrstog deformabilnog, tela (XVI Yugosiovenski kongres teorijske i primenjene mehanike. Becici, 1984).- 1984,- S.69-74.

7.Sedin V. Methode odredjivanja osobíne tía pri dinamickim opterecenjima // Там же. - S.561-568.

8.Седин В.Л. Определение динамических характеристик естественных оснований при малых статических давлениях // Динамика оснований, фундаментов и подземных сооружений (Труды VI Всесоюзной конференции, Нарва, 1985).- Л.: ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева. - 1985.-С.267-269.

9.Sedin V. Analitic metod dinamickoga proracuna temelja turboagregata II Mehanica cvrstog deformabilnog tela (XVII Yugosiovenski kongres teorijske i primjene mehanike. Zadar, 1986). -Zadar: 1986.- S.309-315.

10.Седин В.Л. О расчете рамных н стенчатых фундаментов на широкополосные динамические возбуждения// Проектирование и строительство энергетических объектов в сейсмических районах. (Материалы Всесоюзного научно-технического совещания, Нарва,

988).- Л.: ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева. - 1990.- С.86-88.

П.Седин В.Л. Расчет перемещений куста сван, жестко соеди-!енных с ростверком// Механизированная безотходная технология юзведекия свайных фундаментов из свай заводской готовности -Зладивостох: 1988.- С. 102-104.

12.Седин В.Л. К расчету стенчатых фундаментов с широкими ггенками при помощи метода осреднения // Сб.трудов Российской :онференции по механике грунтов и фундаментостроешш Теотехника-95", т.З.- С.-Петербург: 1995.- С.558-592.

13.Седин В.Л, Асимптотическое исследование собственных ко-[ебаний стенчатых фундаментов // Theoretical Foundations in Civil engineering.- Warsaw: 1997. - P.75-79.

14.Андрианов И.В., Ермолинский А.В., Седин В.Л. О предель-гых случаях в теории ребристых пластин// Прикладная механика. -991,- Т.27.- №7.-С. 120-125 (Доля автора 33%, совместное теорети-[еское исследование).

15.Андрианов И.В., Ермолинский А.В., Седин В.Л. О расчетах (ертикальных колебаний стенчатого фундамента II Динамика оснований и подземных сооружений (Труды VII Всесоюзной конферен-нш, Днепропетровск, 1989) - М.: НИИОСП,- 1989,- С.115-116 (Доля [втора 33%, постановка задачи, совместное теоретическое решение).

16.Андрианов И.В., Коношенко С.И., Седин В.Л. Расчет пла-тин с широкими ребрами // Прикладная механика, - 1995. - т.39, -&3. - С.75-84 (Доля автора 35%, постановка задачи, совместное тео-»етическое исследование).

17.Андрианов И.В., Седин В.Л. К расчету современных конструкций рамных фундаментов // Изв. ВУЗов. Строительство и архн-ектура. - 1987,- №2.-С.15-18 (Доля автора 60%, постановка задачи, овместное решение).

18.Andrianov I., Sedin V. Composition of simplified equations of onlinear dynamics of plates and shallow shells on the basis of homog-nization method//ZAMM. - 1988.- V.68.- N11,- P.573-575 (Доля автора 50%, совместное теоретическое исследование).

19.Andrianov I., Sedin V. Simplified nonlinear eguations of theory f plates and shells// Computer aided dising and computer aided manu-acturing (6th International symposium, Zagreb, Yugoslavia, 10-11 )ctober 1984).- 1984,- P.207-211 (Доля автора 50%, совместное теоре-ическое исследование).

20.Andrianov I., Sedin V.Turbogenerator foundation analysis un-er wide-range (seismic in particular) excitation// Int. Conference on

Recent Advances in Geotechnics and Earthquack. Engn..- 1991. - v.IV-3. - P.1547-1551. (Доля автора 50%, совместное теоретическое исследование).

21.Басий В.И., Ротгауз Б.А., Седин В.Л. Динамические исследования фундамента мощного энергоблока// Материалы конференций и совещаний по гидротехнике.- Л.: Энергоиздат. - 1982.- С Л 38141 (Доля автора 33%, обработка и анализ данных испытаний).

22.Демьяненко В.В., Седин В.Л. Аналитические исследования динамики стенчатых фундаментов // 11-я Украинская научно-техническая конференция по механике грунтов и фундаментострое-нню, Т.П. - Полтава: 1995,- С.33-36 (Доля автора 60%, постановка задачи, теоретические решения).

23.Исследования колебаний фундаментов с присоединенными плитами при различных условиях связи /Седин В.Л., Швец Н.С., Андрианов И.В., Аграновский Т.Г./I Строит, механика и расчет сооружений. - 1982.- №2С.53-56 (Доля автора 50%, проведение эксперимента, обработка и анализ результатов).

24. Киричек Ю.А., Седин В.Л. Вибрационные испытания фундамента под турбоагрегат мощностью 800 МВТ // Основания и фундаменты. - К.: Буд1вельншс. - 1986. - Вып. 19. - С.24-26 (Доля автора 50%, испытания, обработка и анализ результатов).

25.Седин В.Л., Демьяненко В.В. Аналитический метод исследования вынужденных колебаний стенчатого фундамента // Theoretical Foundations in Civil Engineering.- Warsaw: 1995. - P. 63-65 (Доля автора 60%, постановка задачи и теоретическое решение).

26.Швец Н.С., Седин В.Л., Киричек Ю.А. Усиление фундаментов под машины с динамическими нагрузками// Международный симпозиум. Ленинград, 22-27 мая 1989.- Л.: Стройиздат. - 1989. -С.333-341 (Доля автора 33%, усиление присоединенными плитами).

27.Svec N., Sedin V. Karakteristicne greske rod proektiraja i exsploanacije temelja strojeva// Saopcenja I savjetovanja drustva za mehaniku tía itemeljenje Hrvatska (Opatija, 1989). - Zagreb: 1989.- S: 467-471 (Доля автора 50%, постановка задачи, анализ и полученных результатов, практические выводы).

28. А.с. 947291 СССР, МКИ Е 02 D 27/44 . Фундаменты под машины / В.Л.Седин, Ю.Г.Креймер,И.А.Карновский, М.П.Захваткин, (СССР). - №3249470/29-33; Заявлено 13.02.81; Опубл. 30.07.82, Бюл. №28. - 2с. (Доля автора 25%, конструкция и ее практическое и теоретическое обоснование).

Седш В.Л. Методи розрахунку 1 нов! решения фундамента складно! форми при динам1чних впливах.-Рукопис.

Дисертащя на здобуття наукового ступеня доктора техшчннх наук за спещальшстю 05.23.02 - пщвалини та фундаменти. -Приднтровська державна академ1я буд*вництва та арх^тектури, м. Дншропетровськ, 1997.

У робот1 висв1тлено результати: дано анализ натурних динам1чних досл!Д1в системи турбоагрегат - фундамент - пщвалини, проведених для головних енергоблотв потужшетю 1000 МВт на АЕС, що будуються в р1зних грунтових умовах. Запропоновано « реал1зовано алгоритми анал^тичного розрахунку динам1чного напруженого стану, вшьних 1 вимушених коливань, складних просторовнх конструкщй фундаментов на пружннх 1 пружно -в'язких основах. Зктавлення експериментальних 1 розрахункових даних гпдтперджуе доцшьшеть практичного використання розглянутих метод!В динамичного розрахунку фундамента турбоагрегатов.

Запропоновано I реал1зовано решения нових фундаментов пщ машини з динам!чними впливами, як{ дозволяють ¡стотно знижувати ревень в1брацш у систем! "агрегат - фундамент -шдвалини".

Ключов1 слова: шдвалини, фундамент, турбоагрегат, натурнин експеримент, усереднення, асимптотика, динамика, зниження в!бращй.

Седин В.Л. Методы расчета и новые решения фундаментов сложной формы при динамических воздействиях. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.23.02 - основания и фундаменты. - Приднепровская государственная академия строительства и архитектуры, Днепропетровск, 1997.

В работе освещены результаты и дан анализ натурных динамических исследований системы турбоагрегат - фундамент - основание, проведенные для головных энергоблоков мощностью 1000 Мвт на строящихся в различных грунтовых условиях АЭС. Предложены и реализованы алгоритмы аналитического расчета динамического напряженного состояния, свободных и вынужденных колебаний сложных пространственных конструкций фундаментов на упругом и уп-

руго-вязком основаниях. Сопоставление экспериментальных и расчетных данных подтверждает целесообразность практического использования рассмотренных методов динамического расчета фундаментов турбоагрегатов.

Предложенные и реализованные решения новых фундаментов под машины с динамическими воздействиями, позволяющие существенно снижать уровень вибраций в системе "агрегат - фундамент -основание".

Ключевые слова: фундамент, основание, турбоагрегат, натурный эксперимент, осреднение, асимптотика, динамика, снижение вибраций.

Sedin V. Methods of Analysis and New Solutions for Complicated Foundations under Dynamical Loading.-Manuscript.

Thesis for a doctor's degree by speciality 05.23.02 - foundations and basements. - Pridneprovsky State Academy of Civil Engineering and Architecture, Dnepropetrovsk, 1997.

Natural dynamical research of a system turbogenerator - basement - foundation for 1000 MW power blocks on built in various geological environment for nuclear power station, showed general characteristics of its dynamical behaviour for various constructive shemes and ground conditions. Algorithms for analytical study of dynamical stress state, natural and forced oscillations of complicated 3D structures on the elastic and visco-elastic foundation are realized. Comparison of experimental and theoretical dates shows the practical value of the proposed for turbogenerator foundation dynamical research.

New engineering solutions for foundations with dynamical loading were proposed and realized, that gives possibility to decrease level of vibrations of a system "aggregate - foundation - basement".

Key words: basement, foundation, turbogenerator, field experiment, ho-mogenization, asyrnptotics, dynamics, suppression of vibrations.