Управление старением фундаментов мощных турбоагрегатов с учетом ползучести бетона Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Вялов С. С. Реологические основы механики грунтов. - М. : Высшая школа. 1978. -447 с.

2. Егоров К. Е. Особенности деформации оснований реакторных отделений АЭС. К. Е. Егоров, Н. С. Соколов. - Основания, фундаменты и механика грунтов, 1985. - №4. - С. 14 - 17.

3. Месчян С. Р. Экспериментальная реология глинистых грунтов. С. Р. Месчян. - М. : Недра, 1985. - 342 с.

3. Основания зданий и сооружений. Нормы проектирования: СНиП 2.02.01-83*. - М.: 1995 - 64 с.

4. ПиН АЭ-5.10-87 Правила и нормы в атомной энергетике. Основания реакторных отделений атомных станций. М. : Минатомэнерго СССР. 1998. - 53 с.

5. СНиП 2.02.02-85 Основания гидротехнических сооружений. / Госстрой СССР. - М. : ЦИТП Госстроя ССР, 1987. - 68 с.

6. Цытович Н. А. Инженерный метод прогноза осадок фундаментов. - М. : Стройиздат, 1988. - 118 с.

УДК 624/159/11/621/25:621.039

УПРАВЛЕНИЕ СТАРЕНИЕМ ФУНДАМЕНТОВ МОЩНЫХ ТУРБОАГРЕГАТОВ

С УЧЕТОМ ПОЛЗУЧЕСТИ БЕТОНА

В. Л. Седин, д. т .н., проф., Е. А. Бауск, И. В. Харченко, студ.

Ключевые слова: фундамент, турбоагрегат, деформация, температурная деформация усадка и ползучесть бетона, скорость ползучести бетона.

Постановка проблемы. Обобщаются результаты длительных натурных наблюдений за деформациями фундаментов мощных (1 000 Мвт) турбоагрегатов. Выполнены экспериментальные исследования ползучести бетона опорных конструкций фундаментов с оценкой степени влияния длительных вялотекущих деформаций на надежность работы энергетического оборудования. Приведена концепция теоретического решения проблемы по расчету сложных железобетонных конструкций фундаментов турбоагрегатов с учетом ползучести бетона.

Решение проблемы

1. Экспериментальный аспект проблемы. Практика эксплуатации фундаментов турбоагрегатов большой единичной мощности (300 Мвт и выше) свидетельствует о значительном влиянии различного вида деформаций опорных строительных конструкций на надежность работы энергетического оборудования. Длительные натурные исследования характера развития осадок и деформаций верхнего и нижнего строений фундаментов турбоагрегатов мощностью 1 000 Мвт в период строительства и при различных режимах эксплуатации проведено на шести блоках Запорожской АЭС.

Отличительными особенностями эксплуатируемых на отечественных АЭС турбоагрегатов большой единичной мощности (1 000 Мвт) является то, что машина имеет значительные размеры (длиной до 70 м) и массы вращающихся частей, жесткое соединение роторов. В связи с этим турбоагрегат чувствителен даже к незначительным (с позиции работы строительных конструкций) прогибам и неравномерным деформациям фундамента. Так, отношение стрелы общего продольного прогиба (выгиба) к длине фундамента за межремонтный эксплуатационный период, который составляет по нормативам 3...4 года, не должно превышать относительной величины 0,00015 (от 3 до 5 мм на всю длину фундамента), при плавном характере линии прогиба и кривизне одного знака, что при значительных размерах сооружения в плане и по высоте обеспечить сложно. Практика эксплуатации фундаментов турбоагрегатов большой единичной мощности свидетельствует о значительном влиянии различного вида деформаций на надежность работы машин.

Под отечественные турбоагрегаты мощностью 1 000 Мвт применены железобетонные сборно-монолитные фундаменты рамно-стенчатой конструкции (см. рис. 1). Машина имеет цилиндр высокого давления (ЦВД), три цилиндра низкого давления (ЦНД) с тремя конденсаторами, расположенными в подвальной части, генератор и возбудитель. Под наиболее

тяжелые роторы ЦНД и генератора предусмотрены мощные поперечные стены, а под крайние опоры ЦВД и возбудителя - поперечные рамы. Стены фундамента монолитные, колонны поперечных рам и верхнее строение фундамента сборно-монолитные. Стены и колонны жестко соединены с нижней монолитной железобетонной плитой фундамента, имеющей два бесконтактных участка - консольные вылеты по торцам плиты величиной 3,5 и 4,5 м. Консоли, по мнению авторов проекта, позволяют создать разгружающие моменты обратного знака, уменьшить прогибы фундамента и усилия в нижней плите. Благодаря этому толщина нижней плиты составляет 3,8 м при общей высоте фундамента 21,4 м и длине 70,7 м. Ширина фундамента 24 м. В процессе строительства грунтовое основание ниже подошвы фундамента на глубину 2 м было заменено тощим бетоном, что значительно увеличило жесткость подстилающих фундамент слоев. Статические и динамические нагрузки от роторов и цилиндров турбоагрегата воспринимаются поперечными рамами и монолитными стенами на отметке +14,75 м (см. рис. 2).

Рис. 1. Общий вид фундамента турбоагрегата мощностью 1 000 Мвт.

Основанием исследованных фундаментов турбоагрегатов являются выдержанные по мощности средней плотности и плотные мелко- и среднезернистые песчаные грунты (рыхлые пески под подошвой фундаментов замещены подбуткой толщиной 3 м). Указанные пески залегают до глубины 20...24 м ниже подошвы фундаментов и находятся в водонасыщенном состоянии. Модуль деформации песков средней плотности и плотных по результатам полевых штамповых испытаний составил соответственно 30 и 45 МПа. В песчаном массиве выявлены прослойки и линзы супесей и суглинков от твердой до мягкопластичной консистенции с модулем деформации 20 МПа. Мощность прослоек и линз колеблется от 0,5 до 2,0 м. С глубины порядка 24 м пески подстилаются слоистой местами опесчаненной глиной мощностью 15...20 м. Модуль деформации глины установлен компрессионными испытаниями и составил 20 МПа. Ниже залегают пылеватые пески, песчаники и каолины (общая мощность порядка 18...22 м). Осадочные породы подстилаются гранитами архей-протерозойского возраста. Давление на грунтовое основание по подошве нижней плиты фундамента турбоагрегата составляет 0,22МПа.

1.

Рис. 2. Продольный разрез фундамента: ..12 - точки приложения нагрузок от конструкций турбоагрегата (опоры подшипников)

Натурные наблюдения за осадками и деформациями фундаментов турбоагрегатов выполнялись с момента начала строительства и продолжаются более 20 лет. Наблюдения проводятся методом высокоточного геометрического нивелирования по осадочным маркам, установленным на нижней плите, по верхнему строению фундамента и на опорах подшипников. Длительными наблюдениями установлено, что основные осадки фундаментов турбоагрегатов протекали в период строительства. Их средняя величина составила 23...28 мм. Практически полная стабилизация деформаций грунтового основания (скорость осадки менее 1 (мм/год) была достигнута в первый год эксплуатации по каждому блоку. Качественная картина продольных деформаций по всем блокам совпадает и характеризовалась развитием выгиба за счет максимальных осадок по краям фундамента, при этом наибольшие осадки наблюдались в районе первых опор (ЦВД). Такая картина деформирования основания была обусловлена наличием консольных вылетов по нижней плите, а также влиянием более нагруженного реакторного отделения (более чем в 2 раза), расположенного со стороны ЦВД (рис. 3).

Расстояние от первой опоры, м 0 10 20 30 40 50 60 70 80

. 0,0

а

м р

о -&

е ч: е

-5,0 -

-10,0

§ -15,0

е

т

-20,0

23 года эксплуатации

Рис. 3. Профили продольных деформаций фундамента турбоагрегата

Дальнейшие натурные наблюдения показали, что с увеличением срока эксплуатации турбоагрегата деформации верхнего строения, а именно - вертикальные перемещения опоры № 1 (см. рис. 2) подшипников и уклоны роторов турбины в районе цилиндра высокого давления опережают деформации нижней плиты, что является следствием температурных деформаций, а также длительной усадки и ползучести бетона. На рисунках 4 и 5 обобщены результаты многолетних исследований деформаций фундаментов турбоагрегатов шести блоков однотипной конструкции. За период длительной эксплуатации (15...20 лет) величина деформации усадки и ползучести бетона колонн первой опоры достигла значения 12 мм. Таким образом, скорость ползучести бетона составила порядка 0,8.1,1 мм/год, что может оказать

влияние на эксплуатационные качества турбоагрегатов при проведении мероприятий по продлению ресурса эксплуатации энергогенерирующих предприятий.

2,0 1,5

1 1,0

х" о

5 0,5

>

0,0 -0,5

0 5 10 15 20 Т, лет 25

О по маркам на отметке +14,75м □ по маркам подшипников д по маркам на отметке -2,6м

Рис. 4. График развития во времени уклонов фундамента и ротора турбоагрегата на

участке опор 1 - 2

Важно отметить, что колонны на первой и последней опорах подшипников и стены монолитного фундамента (опоры подшипников №№2.. .11) находятся в различном напряженно-деформированном состоянии и нарастающие неравномерные деформации могут быть обусловлены различной скоростью ползучести бетона этих конструкций.

10

15

20

Т, лет 25

го

ср

о -&

е ч: к го

X .0 л е

0,0 -2,0 -4,0 -6,0 -8,0 -10,0 -12,0 -14,0

г

О4^

гЧ^> о

<>о Г о

ч [ооо^ V

0

5

Рис. 5. Развитие деформаций ползучести бетона колонн опоры № 1

По результатам наблюдений в различных режимах работы турбины начиная с момента завершения возведения фундамента получены корреляционные зависимости, позволяющие с высокой точностью прогнозировать развитие уклонов роторов во времени. Это позволяет предусмотреть проведение плановых ремонтов с соблюдением требуемых контруклонов для обеспечения горизонтального положения оси валопровода турбогенератора на расчетный период эксплуатации.

Полученные результаты должны учитываться при эксплуатации аналогичных фундаментов, их проектировании и конструктивных улучшениях, направленных на уменьшение влияния деформаций на работу машины.

2. Концепция теоретического решения проблемы. Натурные экспериментальные исследования показали, что под действием постоянных (собственного веса конструкций) и

длительных (веса турбоагрегата и оборудования) нагрузок наблюдаются существенные деформации крайних железобетонных колонн фундамента во времени. При этом замеры перемещений верха и низа колонны сильно отличаются, и эта разница со временем прогрессивно увеличивается (см. графики на рис. 4). Все это наглядно свидетельствует о роли в работе конструкции такого свойства как ползучесть бетона. Ползучесть - это свойство материала деформироваться при длительном действии постоянных во времени напряжений после завершения упругого деформирования в момент приложения нагрузки.

Обширные данные опубликованных исследований [1 - 3 и др.] убеждают в том, что свойство ползучести бетона играет существенную роль в формировании напряженного и деформированного состояния элементов сооружений. При длительных воздействиях происходит значительное перераспределение напряжений между бетоном и арматурой, играющей роль упругих связей. Именно это оказывает заметное влияние на показатели предельных состояний железобетонных конструкций. В центрально и внецентренно нагруженных железобетонных элементах ползучесть бетона побуждает рост деформаций продольного изгиба, что снижает несущую способность таких элементов.

Каркас железобетонного фундамента турбоагрегата атомной электростанции (рис. 1) представляет собой сложную пространственную континуально-стержневую систему, нагруженную весьма интенсивной постоянной и длительной нагрузкой. Их расчет необходимо выполнять с учетом ползучести и усадки бетона, а также с учетом перераспределения усилий между элементами системы во времени и деформаций продольного изгиба, то есть по деформированной схеме (деформационный расчет).

Значительные результаты, достигнутые в области теории ползучести, находят недостаточное применение в практике проектирования сооружений в силу того, что теория еще не приобрела приемлемые для практики формы и находится в стадии становления. Перспективным является путь построения методов расчета железобетонных сооружений на базе классических методов строительной механики: метода сил, метода перемещений, метода конечных элементов. Данные методы построены с учетом деформаций продольного изгиба и длительных процессов в [4; 5]. При этом выбор рабочей теории ползучести имеет решающее значение.

На сегодня различают четыре основные разновидности теорий ползучести: теория упругой наследственности (ТУН), теория старения (ТС), теория упруго-ползучего тела (ТУПТ) и наследственная теория старения (НТС). В ТУН деформации ползучести считаются полностью обратимыми. В ТС принимается допущение о параллельности графиков характеристики ползучести, что отрицает факт обратимости деформаций ползучести. Характерной особенностью ТУПТ является несоблюдение принципа независимости протекания обратимых и необратимых деформаций ползучести, что влечет за собой отклонение ее графиков от экспериментальных. В НТС характеристика ползучести строится по принципу независимости протекания обратимых и необратимых деформаций ползучести. Данная теория наиболее удачно отражает деформативные свойства бетона во времени и может быть принятой в качестве рабочей.

При одноосном напряжённом состоянии бетонного элемента связь между деформациями £(') и соответствующими переменными во времени напряжениями (Г(т) выражается линейным интегральным уравнением Вольтерра 2-го рода [4]:

Е0 £(0 = а(0а(0 + |<г(т)К(',т)йт (1)

'0

с искомой функцией ст(') и ядром ползучести

д

К (' ,т) = -— [а (т) + <?(', т)]. (2)

дт

Характеристика упругих деформаций а(т) имеет вид:

а(т) = а + фъ е-Гз(т-'0), (3)

а характеристика ползучести НТС -

q>(t,T) = р^1 - е 1 ] + ?2[е 2 - е 2]. (4)

Здесь р, y1 - опытные постоянные обратимых? (р2, у2 - необратимых деформаций

E

ползучести, р3 у3, a = —0— постоянные упругих деформаций бетона. Все постоянные берутся

' E,

из экспериментальных исследований образцов бетонных призм.

Алгоритм деформационного расчета стержневых железобетонных систем методом конечных элементов (МКЭ) построен по методике упругого расчета, но только с учетом ползучести. Отличие состоит в формировании матриц жесткости отдельных элементов, в которых необходимо учесть временные функции влияние ползучести. Метод конечных элементов строится в форме метода перемещений, поэтому элементы матрицы жесткости определяются по эпюрам и таблицам данного метода. Временные матрицы жесткости конечных элементов могут быть выражены через их упругие значения:

rg(t) = rg • F (t) ; rf(t) = rg • F (t); rg11 (t) = rg11 -1, (5)

где F(t)=L1 - временные операторы ползучести, а rg, rg, rgg1 - упругие матрицы жесткости соответствующих типов конечных элементов, представленные в [5].

Во всех коэффициентах матриц жесткости (5) присутствуют pi (v) и r]i (v) (i=1,2,3,4),

которые являются специальными функциями, учитывающими деформации продольного изгиба, то есть влияние продольных сил. Для реализации МКЭ необходимо знать в каждом g-м элементе системы значение продольной силы Ng (t), которая входит в длительный

параметр v (t) =

1

Ng(° - ф - б , являющийся аргументом функций влияния продольного изгиба.

E0 h

Длительные продольные силы в общем случае являются неизвестными и вначале их определяют из недеформационного расчета. Далее применяют метод последовательных приближений.

Таким образом, для обеспечения надлежащей прочности и условий к нормальной эксплуатации железобетонного фундамента турбоагрегата во времени необходим их деформационный расчет методами строительной механики с учетом длительных процессов -усадки и ползучести бетона по [5]. Это позволяет более точно определять несущую способность и эксплуатационную пригодность таких систем в процессе их длительной эксплуатации.

Выводы. Результаты многолетних натурных исследований деформаций фундаментов турбоагрегатов показали, что при длительной эксплуатации (15...30 лет) машин мощностью 1 000 Мвт значительное влияние на их надежность оказывают процессы усадки и ползучести бетона опор подшипников. Это влияние связано с различным напряженно-деформированным состоянием опорных железобетонных конструкций, что не было учтено на стадии проектирования.

Для обеспечения надлежащей прочности и условий к нормальной эксплуатации железобетонного фундамента турбоагрегата во времени необходим их деформационный расчет методами строительной механики с учетом длительных процессов - усадки и ползучести бетона. Это позволяет более точно определять надежность и несущую способность таких систем в процессе их длительной эксплуатации.

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Прокопович И. Е. Влияние длительных процессов на напряженное и деформированное состояние сооружений / И. Е. Прокопович/ - М. : Госстройиздат, 1963. - 260 с.

2. Арутюнян Н. Х. Расчет строительных конструкций с учетом ползучести / Н. Х. Арутюнян, А. А. Зевин/ - М. : Стройиздат, 1988. - 256 с.

3. Голышев А. Б. Железобетонные конструкции. Строительная механика / А. Б. Голышев, В. Я. Бачинский, В. П. Полищук/ - К. : Логос, 2003. - 415 с.

4. Слободянюк С. А. Теория длительной прочности и устойчивости стержневых железобетонных систем с учетом ползучести бетона / С. А. Слободянюк, Е. А. Яценко/ -Днепропетровск : ПГАСА, Пороги, 2002. - 250 с.

5. Слободянюк С. А. Деформационный расчет и устойчивость стержневых железобетонных систем с учетом длительных процессов: дисс. ... доктора техн. наук.-Днепропетровск : ПГАСА, 2002. - 280 с.: 05.23.01 - Утв. 9.04.2003 г. ВАК Украины прот. N10-08/4.

УДК 658.012.2:69.05.013

ПОДГОТОВКА И ПЛАНИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ, ОРГАНИЗАЦИИ И УПРАВЛЕНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫМ ПРОИЗВОДСТВОМ СОГЛАСНО

ДБН А.3.1-5-2009

В. И. Доненко, к. т. н., доц., Е. Ю. Антипенко, к. т. н., доц., Л. В. Яровая, И. В. Доненко, А. А. Бобраков (Запорожская государственная инженерная академия)

Ключевые слова: организация строительного производства, проектно-технологическая документация, проект организации строительства, проект производства работ, ресурсно-календарное планирование.

Постановка проблемы. С целью усовершенствования нормативной базы строительного комплекса Украины на основании решения научно-технического совета Минрегионстроя от 28.04.2009 № 47 была утверждена новая редакция ДБН А.3.1-5-96 "Организация строительного производства" [1] (ДБН А.3.1-5-2009 "Управление, организация и технология. Организация строительного производства", приказ № 689 от 25. 12. 2009 г.), которая отвечает современному уровню развития строительной отрасли - организации работ, отношениям между субъектами строительного производства, условиям строительства, отображению этого в законодательном и нормативно-правовом поле и документации, необходимой для подготовки проектов и возведения объектов строительства.

Анализ последних исследований и публикаций. Выполнению работ на объектах должен предшествовать комплекс мероприятий и работ по подготовке строительного производства [4; 5], которые обеспечивают возможность осуществления строительства в соответствия с условиями подчиненных контрактов и взаимосвязанную деятельность всех его участников. Такая подготовка [6] включает общую организационно-техническую подготовку, подготовку в строительство объекта, подготовку строительной организации и подготовку строительно-монтажных работ. Утвержденная редакция ДБН А.3.1-5-2009 [2] содержит значение некоторых понятий, откорректированных в соответствии с их сегодняшней трактовкой в законодательных и нормативно-правовых документах; внесен ряд понятий, которых в предыдущей редакции не было.

Цель исследования. Выполнить анализ критически важных изменений и дополнений обновленной редакции ДБН А.3.1-5-2009 "Управление, организация и технология. Организация строительного производства" с целью последующей адаптации выявленных тенденций к современной практике планирования и подготовки проектно-технологической документации (ПДТ) строительных проектов.

Материал исследования. Организация строительного производства охватывает перечень подчиненных объектов нормирования, которые раскрывают отдельные аспекты проблемы планирования, организации и технологии возведения объектов строительства:

- подготовка строительного производства;

- разработка и использование проектно-технологической документации по планированию, организации и выполнению работ;

- управление строительным производством;

- организация и охрана труда;

- материально-техническое обеспечение;

- механизация работ;

- охрана окружающей среды;