Full Text

Введение Исследование напряженно-деформированного состояния строительных конструкций при помощи численного эксперимента является приоритетным направлением при определении их реальной несущей способности. Метод конечных элементов позволяет учитывать сложную геометрию и нелинейность материалов, представленных в модели оснований и фундаментов строительных объектов. Компьютерная симуляция гораздо экономичнее натурного эксперимента, сходимость результатов эксперимента и симуляции достаточна для многих инженерных задач. Так, авторами статьи была выявлена сходимость менее 5 % результатов эксперимента (натурных испытаний) и симуляции при помощи ПК ANSYS для линейной модели металлической конструкции [1] и 6,1 % - для нелинейной модели фундамента на грунтовом основании [2]. При определении основных прочностных и эксплуатационных характеристик системы «основание - фундаменты» необходимо учитывать специфику грунтов (неоднородность, анизотропность и нелинейность свойств грунтов), а также некоторые особые нагрузки (сейсмические, пульсационные ветровые, динамические нагрузки от машин и механизмов). Эти задачи успешно решают при помощи симуляции в ПК ANSYS. Авторами Д.Д. Ченгом, С.В. Абушараром и К.Ч. Вангом было проведено трехмерное нелинейное конечно-элементное моделирование фундамента на цементно-гравийных сваях [3]. При помощи ПК ANSYS были установлены зависимости между длиной и материалом свай, а также распределением нагрузки по кусту свай. Особенности сейсмических нагрузок на строительные конструкции исследовали А. Байрактар, В. Севин, А.К. Альтунисик [4]. Установлена достаточная сходимость результатов натурного наблюдения и проведенного численного эксперимента, при том что разница в собственных частотах колебаний достигла 15 %. При помощи МКЭ П. Джа и С. Кумаром была установлена взаимосвязь между НДС оснований существующих фундаментов глубоко заложения и НДС возводимых фундаментов мелкого заложения [5]. Китайскими учеными были воссозданы условия для расчета куста свай под толщей воды [6]. При помощи ПК ANSYS были определены частоты собственных колебаний свай и смоделировано влияние течения воды на свайно-групповой фундамент. Моделирование оснований и фундаментов дамб в условиях сейсмических воздействий было проведено Б.А. Зайданом [7]. При этом материалы дамб и основания были представлены как линейные. Результаты показывают, что масса и гибкость фундамента оказывают наибольшее влияние на поведение дамб. Индийские ученые провели динамический анализ свайного фундамента с опиранием на различные виды грунтов [8]. При помощи численного эксперимента была выбрана наиболее оптимальная форма фундамента при различных грунтовых условиях, с учетом сейсмических воздействий. Влияние усталостной прочности на материал фундамента было проанализировано И. Унобе и А. Соренсеном [9] на примере конструкции фундамента под ветрогенератор. В качестве сочетания усилий было выбрано особое: знакопеременные воздействия ветра и сейсмическая нагрузка. При помощи симуляции в ANSYS было выявлено, что данное сочетание усилий является критическим для рассмотренной модели фундамента и значительно снижает его несущую способность. В России тема моделирования грунтового основания при помощи МКЭ также нашла широкое применение. Коллектив авторов под руководством Н.Н. Некрасовой [10] проанализировал результаты математического моделирования фундаментных плит на упругом основании и данных, полученных на основе конечно-элементной компьютерной симуляции, установив, что предложенная модель адекватна и может быть использована для инженерных расчетов. Влияние анизотропии свойств грунта на НДС было рассмотрено в работе [11]. При моделировании свойств материалов в ПК ANSYS был учтен коэффициент, зависящий от степени анизотропии грунтового основания и геометрических размеров фундамента. Расчет НДС регулируемого фундамента выполнен А.Б. Пономаревым и Е.Н. Сычкиной [12]. Двухэтапный анализ (моделирование при равномерной нагрузке на балку и моделирование при подъеме краевой части балки домкратом) показал, что результаты численного метода хорошо согласуются с тестами. А.И. Ивашкиным были применены билинейные модели материла для получения достоверных результатов [13]. Е.В. Марковой, О.В. Чегуа [14] была оценена конструкционная прочность изделий и конструкций при помощи геометрического моделирования и прямой генерации узлов и элементов. М.Л. Иванов, А.А. Добрынин [15] также применили математическую модель МКЭ для прочностного анализа пространственной системы «здание - фундамент - основание». Основная часть Для верификации ПК ANSYS в расчетах моделей с нелинейными свойствами был проведен расчет контактных напряжений в моделях двухслойных и монолитных фундаментов, подробно рассмотренных в работе [2]. Модель и результаты расчета представлены на рис. 1. а б Рис. 1. Вычисление контактных напряжений двухслойного фундамента: а - конечно-элементная модель фундамента; б - контактные напряжения, МПа Fig. 1. Calculation of contact tension of the two-layer foundation: a - FEM of the foundation; b - contact stresses, MPa По результатам проведенного натурного и численного экперимента была определена сходимость результатов для разных величин нагрузки (рис. 2). Установлено, что с повышением нагрузки разница в результатах увеличивается. Рис. 2. Относительная разность между результатами опыта и эксперимента для модели монолитного фундамента (ФПс1_1) и для модели двухслойного фундамента (ФПс 1_2) Fig. 2. The relative difference between results of experience and experiment for model of the monolithic foundation (FPs1_1) and for model of the two-layer foundation (FPs 1_2) Для расчета эффективности применения двухслойных фундаментов был принят в качестве прототипа проект под линию портала 500 кВт, выполненный ЮЖЭНЕРГОСЕТЬПРОЕКТ. Объект находится в Темрюкском районе Краснодарского края, сейсмичность площадки строительства составляет 8 баллов. Уровень ответственности сооружений открытого распределительного устройства (ОРУ) - повышенный. Грунтами основания служат суглинки легкие пылеватые твердой консистенции, незасоленные, которые характеризуются следующими нормативными физико-механическими показателями: γ = 1,71 г/см3, с = 0,016 МПа, φ = 17,0°, Е = 17,9 МПа. Суглинки залегают до глубины 5,6 м. Грунтовые воды залегают на глубинах 10,5-12,5 м. Расчет металлоконструкций портала типа ПС-220Я2 выполнен специалистами ЮЖЭНЕРГОСЕТЬПРОЕКТ. Трехмерная схема для расчета в StructureCad представлена на рис. 3. Рис. 3. Трехмерная и расчетная схема для расчета в StructureCad Fig. 3. 3D modeling to calculate using StructureCad Расчет был проведен по следующим загружениям: cобственный вес, ветер по оси х, ветер по оси у, тяжение без учета гололеда, тяжение с учетом гололеда, масса монтера, пульсации ветра по х, пульсации ветра по у, сейсмика по х, сейсмика по у. В результате проведенного расчета конструкций надземной части было установлено, что металлоконструкции опор удовлетворяют требованиям по первой и второй группе предельных состояний при основном и особом сочетании нагрузок. На уровне крепления конструкции к фундаменту были получены значениия нагрузок на фундаменты при особом сочетании усилий: N = 2,56 тс, Му = 4,35 тс∙м, Мх = 66,8 тс∙м, Qx = 0,33 тс, Qy = 4,73 тс. Рассмотрены следующие варианты расчетных моделей: Вариант 1. Монолитный фундамент из бетона класса В15 (рис. 4). Вариант 2. Сборный фундамент согласно рабочей документации ЮЖЭНЕРГОСЕТЬПРОЕКТ по «Серии 3.407-115. “Унифицированные фундаментные конструкции ВЛ 35-500 кВ”. Выпуск 2» (рис. 5, 6). а б в Рис. 4. Монолитный фундамент под опору ЛЭП: a - геометрические размеры фундамента; б - трехмерная модель фундамента; в - трехмерная модель фундамента с грунтовым основанием Fig. 4. Monolithic foundation for power line construction: a - geometry of foundation; b - 3-D foundations model; c - 3-D foundation model including a ground solid Рис. 5. Геометрические размеры сборного фундамента по проекту ЮЖЭНЕРГОСЕТЬПРОЕКТ Fig. 5. Geometry of composite foundation by UZHENERGOSETPROEKT а б в г Рис. 6. Конечно-элементная модель сборного фундамента по проекту ЮЖЭНЕРГОСЕТЬПРОЕКТ: а - модель фундамента сборного Ф5-4 из бетона класса В30; б - модель фундамента монолитного плитного из бетона класса В20; в - сетка арматурная ø12 А-400, шаг 100 мм; г - модель составного фундамента Fig. 6. Finite-element model composite foundation by UZHENERGOSETPROEKT: а - foundation model F5-4 from concrete B30; b - monolithic foundation model of plate from concrete B20; c - mesh reinforcement ø12 А-400; d - composite foundation model Вариант 3. Составной фундамент, выполненный по патенту МПК E02D27/01 [16] (рис. 7). При моделировании инженерных данных геомеханических систем в программном комплексе ANSYS 17.2 была выбрана модель Друкера - Прагера (Drucker-Prager), определяющая поведение или разрушение некоторых материалов под влиянием пластической деформации. В ПК ANSYS исходными данными для моделирования оснований являются: - одноосная прочность на сжатие (Uniaxial compressive strength); - одноосная прочность на растяжение (Uniaxial tensile strength); - двуосная прочность на сжатие (Biaxial compressive strength). а б Рис. 7. Модель двухслойного фундамента: а - модель фундамента сборного по патенту МПК E02D27/01 [16] с трапециевидной формой основания из бетона В30; б - двухслойная сборная модель фундамента (сетки армирования располагаются аналогично модели 2) Fig. 7. Two-layer foundation model: a - foundation model by patent MPK E02D27/01 [16] with a trapezoid form of the basis from concrete B30; b - two-layer composite model (mesh reinforcement as in the model 2) Расчет НДС конструкции был выполнен в программе ANSYS 17.2. Нагрузка в модели передается в качестве давления (опция Pressure) и изгибающего момента (Moment) на оголовки колонн. Для расчета МКЭ массив грунта закрепляется по внешним граням (опция Fixed Support) Целью расчета является определение следующих параметров железобетонной конструкции: 1. Осадка фундамента (предельно допустимая осадка согласно п. 7 табл. Г.1 по СП 22.13330.2011 «Основания зданий и сооружений. Актуализированная редакция. СНиП 2.02.01-83*» составляет 10 см). 2. Разность осадок фундамента ∆S/l (предельно допустимая разность осадок согласно п. 78 табл. Г.1 СП 22.13330.2011 составляет 0,003). Напряжения в бетоне конструкций (согласно табл. 6.8 СП 63.13330.2012 «СНиП 52-01-2003 Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения». 3. Расчетные сопротивления бетона на сжатие равны 8,5 и 17,0 МПа для бетонов класса В15 и В30 соответственно, расчетные сопротивления бетона на растяжения равны 0,75 и 1,15 МПа для бетонов класса В15 и В30 соответственно. 4. Напряжения в арматурных сетках (согласно табл. 6.14 СП 63.13330.2012 расчетное сопротивление арматуры класса А400 на сжатие и растяжение равно 350 МПа). Эпюры перемещений в плите от особого сочетания нагрузок во всех вариантах исполнения фундамента приведены на рис. 8. а б в Рис. 8. Эпюры перемещений по вертикальной оси: а - для монолитного фундамента; б - для сборного фундамента, вариант 2; в - для двухслойного фундамента, вариант 3 Fig. 8. Diagram of movements on a vertical axis: a - for the monolithic foundation; b - for the composite foundation, model 2; c - for the two-layer base option 3 Напряжения в плитной части для разных типов конструкции показаны на рис. 9. В представленных конструкциях проектом предусмотрено две сетки в плитной части, а также хомуты и каркасы, распределительная и конструктивная арматура для фиксации сеток и сборных частей фундамента. В расчете учитывалась только рабочая арматура - верхние и нижние сетки плиты. а б в Рис. 9. Напряжения в плитной части фундамента: а - монолитного, модель 1; б - сборного, модель 2; в - двухслойного, модель 3 Fig. 9. Von-Misses stress in the plate part of foundation: a - monolithic, model 1; b - composite, model 2; c - two-layer, model 3 Верхнее армирование плиты по результатам расчета не воспринимает основные растягивающие напряжения, поэтому может быть задано конструктивно. С учетом минимального процента армирования фундаментов (0,1 %) от площади сечения по высоте промежутка между слоями арматуры и ширины ленты (п. 3.104 Руководства по конструированию бетонных и железобетонных конструкций из тяжелого бетона (без предварительного напряжения)), в качестве верхних сеток плитного сборного фундамента могут быть приняты сетки ø8 А400 с шагом 200 мм (площадь поперечного сечения сетки на 1 метр погонной длины - 2,51 см2, минимальная требуемая площадь: 100∙22∙0,1:100 = 2,2 см2). В качестве верхней сетки монолитного фундамента могут быть приняты сетки ø12 А-400 с шагом 200 мм (площадь поперечного сечения сетки на 1 метр погонной длины - 5,65 см2, минимальная требуемая площадь: 100∙52∙0,1:100 = 5,2 см2). Расчет напряжений армирования (нижней сетки) был проведен в несколько этапов, с учетом подбора диаметра стержней сетки для каждого из вариантов. Низменные параметры: шаг сетки - 200 мм, геометрические размеры сетки 5,8×5,8 м, класс арматуры А400. Максимальное напряжение в сетке не должно превышать 350 МПа. В результате расчета установлено, что для армирования нижней сетки при особом сочетании усилий (с учетом сейсмического воздействия 8 баллов): - для монолитного фундамента (вариант 1) достаточной является сетка ø14 мм (напряжения составляют 336,12 МПа, рис. 10, а); - для сборного двухслойного фундамента ЮЖЭНЕРГОСЕТЬПРОЕКТ (вариант 2) достаточной является сетка ø12 мм (напряжения составляют 315,09 МПа, рис. 10, б); - для сборного двуслойного фундамента по аналогии с фундаментом ФПс 2-3 (вариант 3) достаточной является сетка ø10 мм (напряжения составляют 349,7 МПа, рис. 10, в). а б в Рис. 10. Эквивалентные напряжения от особого сочетания усилий в арматурной сетке: а - монолитного фундамента, модель 1; б - сборного, модель 2; в - двухслойного, модель 3 Fig. 10. Equivalent stresses in mesh reinforcement from a special combination of loadings: a - monolithic, model 1; b - composite, model 2; c - two-layer, model 3 Результаты проведенного расчета сведены в таблицу. В результате проведенного численного эксперимента была доказана эффективность применения двухслойных фундаментов под опоры портала ЛЭП с учетом особого сочетания усилий, обусловленная значительной экономической выгодой (до 49 %) при армировании сеток монолитной плиты двухслойного фундамента. Результаты расчета эффективности двухслойных фундаментов Calculations results of two-layer foundation efficiency Параметр, ед. изм. Модель фундамента опоры ЛЭП Предельно допустимое значение параметра вариант 1 вариант 2 вариант 3 Осадка, мм 3,45 3,43 3,34 100 Разность осадок 0,0012 0,00093 0,0073 0,003 Напряжения в бетоне, МПа 3,44 3,19 2,85 Вариант 1 - 8,5 Варианты 2, 3 - 17,0 Напряжения в арматуре, МПа 336,12 315,09 349,73 350 Верхняя арматурная сетка, сечение и площадь Ø12 А-400 S = 5,65 см2 Ø8 А-400 S = 2,51 см2 Ø8 А-400 S = 2,51 см2 Нижняя арматурная сетка, сечение и площадь Ø14 А-400 S = 7,69 см2 Ø12 А-400 S = 5,65 см2 Ø10 А-400 S = 3,93 см2 Экономия армирования (по нижней сетке) 0 % 26 % 49 % (по сравнению с вариантом 1) 30 % (по сравнению с вариантом 2) Заключение Эффективность применения конструкций двухслойных фундаментов оценивалась по основным требованиям по первой и второй группе предельных состояний. По второй группе предельных состояний (максимальная осадка и разность осадок) существенной разницы в результатах между тремя видами моделей зафиксировано не было. При анализе напряжений в рабочей арматуре нижней сетки было подобрано оптимальное сечение для каждой модели при особом сочетании усилий. Эффективность применения двухслойного фундамента по сравнению с монолитным составила 49 % по части экономии рабочей арматуры.

About the authors

M. N Shutova

Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI)

S. I Evtushenko

Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI)

D. A Kalafatov

V.I. Vernadsky Crimean Federal University

References

Statistics

Views

Abstract - 1491

PDF (Russian) - 111

Refbacks

• There are currently no refbacks.