РАЗДЕЛ 2
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ МАССИВНО-ПЛИТНЫХ ФУНДАМЕНТОВ ПОД ДЕЙСТВИИ ВЕРТИКАЛЬНОЙ ИМПУЛЬСНОЙ НАГРУЗКИ
Массивно-плитный фундамент представляет собой комбинацию массивного и плитного фундамента, он состоит из массивной части и плит, расположенных на поверхности грунта, горизонтально в грунте [56]. Такая конструкция позволяет в значительно более широких пределах увеличивать собственную частоту таких фундаментов за счет увеличения жесткости основания путем наращивания площади и количества плит. Это свойство комбинированных фундаментов может быть использовано и для снижения интенсивности колебаний под действием ударной нагрузки. Для чего необходимо исследовать влияние параметров комбинированных массивно плитных фундаментов на затухание колебаний системы "фундамент - основание". Это имеет практическое значение также для снижения промышленной сейсмики в цехах с машинами ударного действия.
2.1. Влияние конструктивных особенностей фундаментов на колебания под действием вертикальной импульсной нагрузки
Влияние характеристик фундамента и основания на интенсивность свободных колебаний фундаментов под действием импульсной нагрузки рассмотрено на основании численного моделирования фундамента под штамповочный молот ERIE-5000 (табл. 2.1.) на основании - суглинке твердой консистенции с модулем деформации Е = 25МПа; влажностью w = 0,19; коэффициентом пористости е = 0,88; удельным сцеплением С = 31 кПа; углом внутреннего трения ? = 220.
Масса фундамента под машину с динамическими нагрузками определяется из условия [31]:
, (2.1)
где V - скорость падающей части, м/с,
.
Таблица 2.1
Характеристики штамповочного молота ERIE-5000
Вес падающей части - Q1 (кН.)30Вес шабота - Q2 (кН.)450Вес станины - Q3 (кН.)270Высота падения бабы - h (м)3,5Коэффициент восстановления удара 0,5
Цель численного эксперимента показать эффективность применения массивно-плитного фундамента под машины с импульсной нагрузкой в сравнении с традиционным массивным. Программа исследования включала в себя анализ зависимости максимальной амплитуды колебаний фундамента от характеристик основания и фундамента.
Расчетная масса традиционно проектируемого фундамента под данную машину составляет 196,5 т. При следующих геометрических параметрах высоте фундамента h = 2 м, размерах в плане 6,8 м х 6,8 м, глубине заложения 1,6 м. Данным условиям согласно [136] соответствуют следующие характеристики (табл. 2.2.).
Таблица 2.2
Характеристики основания и фундамента штамповочного молота
Коэффициент упругого равномерного сжатия - Cz(ф1), (кН/м3)44034Коэффициент жесткости основания - Кz(ф1), (кН/м3)2012238Угловая частота собственных вертикальных колебаний фундамента - ?z, (с-1)86,1Относительное демпфирование ?z1,85Амплитуда вертикальных колебаний фундамента Аz, (мм)0,35
а)
б)
в)
г)
Как показали результаты моделирования (Рис.2.1а) уменьшение максимальной амплитуды колебаний в 2,5 раза происходит за счет повышения модуля деформации основания от 5 МПа до 35 МПа, дальнейшее увеличение жесткости основания на интенсивность колебаний почти не сказывается. Отсюда следует, что влияние упругих свойств основания значительно и особенно проявляется в слабых грунтах.
Влияние на колебания массы фундаментов за счет увеличения их высоты от 1,0 м до 6 м, при размерах в плане 3м х 3м, (Рис.2.1б) приводит к уменьшению интенсивности колебаний на 12,5%. При этом масса изменяется от 19,3 т до 116,1 т. Гораздо большее влияние на колебания фундамента оказывает развитие площади подошвы фундамента. Так, увеличение площади плиты в 6,5 раз от 4 м2 до 26 м2, при постоянной массе фундамента 196,5 т. (Рис.2.1в) приводит к снижению максимальной амплитуды колебаний с 2,16 до 0,56 мм, то есть на 74,1%. При постоянной высоте фундамента в 1 м изменение площади от 2,3 м2 до 25 м2 (Рис.2.1) приводит к уменьшению максимальной амплитуды колебаний на 85,4%: с 4,38 мм до 0,64 мм. На уменьшение максимальной амплитуды вертикальных колебаний фундамента оказывает большее влияние увеличение размеров плиты в плане, чем увеличение высоты фундамента. Об этом свидетельствуют зависимости максимальных амплитуд вертикальных колебаний фундамента от размеров в плане и высоты, представленные на Рис. 2.2. (Кривая 1 - для фундамента размерами в плане 3 м х 3 м и высотой от 1,0 м до 10,2 м; кривая 2 - для квадратного фундамента высотой 1 м и с размерами в плане от 3 м х 3 м до 9,6 м х 9,6м.). При этом масса двух фундаментов изменялась от 19,35т до 197,37т.
Как видно из Рис. 2.2. развитые в плане фундаменты по сравнению с развитыми по высоте фундаментами при одинаковой массе имеют существенно меньшую амплитуду вертикальных колебаний (уменьшение до 85%). Проведенные численные вычисления демонстрируют возможности снижения колебаний массивных фундаментов за счет развития их по высоте и в плане. Однако возможности развития массивных фундаментов в плане часто ограничены, а перспективы использования массивно-плитных фундаментов здесь гораздо больше.
Рис. 2.2. Сопоставление максимальных амплитуд вертикальных колебаний фундаментов в зависимости от их размеров в плане и по высоте.
Рассмотрим влияние демпфирования на колебания фундаментов с импульсными нагрузками. Относительное демпфирование колебаний фундаментов ?z рассчитывается согласно [136]. С увеличением площади фундамента относительное демпфирование возрастает, а это приводит к увеличению затухания. При расчете фундаментов в качестве характеристики демпфирования допускается использовать также модуль затухания Фz, [с].
Как показали наши исследования (Рис. 2.3.а) при увеличении модуля деформации основания с 5 МПа до 60 МПа, модуль затухания уменьшается в 3,48 раза, а с увеличением размеров фундамента в плане с 1м х 1м до 5м х 5м модуль затухания увеличивается всего в 1,6 раза. Это свидетельствует о низких возможностях повышения демпфирования осн