Фундаменты основных зданий и сооружений атомных и тепловых электрост
..pdfв виде Nа ^ ycecjNueq/уп, где Nа, Nи eq— вертикальная состав ляющая соответственно расчетной нагрузки в особом сочета нии и силы предельного сопротивления основания при сейсми ческом воздействии; yceq — сейсмический коэффициент усло вий работы. Полученные в настоящее время решения ТПР для предельной нагрузки Nueq при различной интенсивности сейсмического воздействия принято представлять формулой, идентичной формуле (13) для Nu. При этом сейсмическое воз действие в формуле для Nueq учитывается значениями коэф фициентов несущей способности Nie q, Nqeq, Nceq, зависящих от уровня сейсмичности района строительства АЭС. Таблицы коэффициентов несущей способности и соответствующие, бо лее подробные указания по определению Nueq, а также дру гих величин, необходимых для оценки устойчивости системы «основание — фундамент РО», приводятся в [17].
Высокая ответственность сооружений АЭС и особенно их реакторных отделений диктует жесткие требования к сейсмо стойкости строительных конструкций и оборудования. По мимо применения свай или мероприятий, направленных на преобразование свойств грунтов, весьма эффективным спосо бом удовлетворения этих требований является применение специальных сейсмозащитных фундаментов. В настоящее время на ряде зарубежных АЭС использованы такие фунда менты. Как правило, в них массивный фундамент разделен на верхнюю и нижнюю плиты, между которыми размещены упругие и демпфирующие элементы. Наиболее известным предложением по сейсмоизоляции РО является сейсмоизоли рующий фундамент, предложенный фирмами Франции. Фун дамент состоит из двух плит и фрикционных опор между ними. Антисейсмическая фрикционная опора состоит из бе тонной стойки, опирающейся на нижнюю фундаментную плиту, армированной прокладки из эластомера (неопрена) и фрикционных плит. При относительно слабых воздействиях система работает в линейной области; при увеличении на грузки сила трения (в фрикционных плитах) преодолевается и "происходит проскальзывание верхней плиты фундамента относительно нижней. При этом удается в несколько раз сни зить нагрузки на оборудование и здание АЭС. К настоящему времени с применением описанных сейсмоизолирующих опор построены АЭС в г. Круа (Франция) и в г. Кольберг (ЮАР) — всего 6 блоков на 900 МВт. Принятое решение по зволило использовать унифицированный (несейсмостойкий) проект АЭС и снизить затраты на ~ 50%.
Подробный анализ сейсмоизолирующих фундаментов РО, осуществленных за рубежом, дан советскими специалистами [25]. Как показано, основным недостатком сейсмоизолирую щего фундамента французских фирм является совмещение в
одном (конструктивном элементе функций поддержки РО в вертикальной плоскости, обеспечения подвижки в горизон тальной плоскости и рассеяния энергии за счет трения фрик ционных плит (демпфер). При таком решении трение в си стеме оказывается труднорегулируемым, а фундаментные верхняя и нижняя плиты могут иметь взаимное остаточное смещение, требующее проведения ремонтных работ. В резуль тате анализа в работе [25] предложены новые решения сей смостойких фундаментов РО.
Принципиальная схема одного из предложенных в [25] сейсмоизолирующих фундаментов представлена на рис. 7. Фундамент состоит из верхней / и нижней 2 плит. Нижняя плита опирается на естественное основание 3 или на сваи.
Рис. 7. Принципиальная схема сейсмоизолирующего фундамента: 1, 2 — верхняя и нижняя плиты фунда мента; 3 — основание; 4 — несущие упругие элементы; 5 — поглотители энергии колебаний
Между ней и верхней плитой устанавливаются несущие упру гие элементы 4 и поглотители энергии 5. Упругие элементы за счет изменения их жесткости могут обеспечить отстройку спектра собственных колебаний РО от спектра сейсмического воздействия. Поглотители энергии вступают в работу при от носительных горизонтальных смещениях верхней и нижней плит. В [качестве опорных элементов принимаются вертикальные стойки, осуществляемые в сталежелезобетоне. В простей шем варианте стойки могут жестко заделываться в плитах
1 и 2.
Предложены [25] и другие варианты соединений (шар нирное соединение одного из концов стойки с плитой, «кине матическая» опора с шаровидными торцами и др.). В каче стве поглотителя энергии принят демпфер, в котором погло щение энергии колебаний осуществляется за счет трения при движении специальной железобетонной плиты, связанной с фундаментной плитой /, по песчано-гравийному слою, уло женному на нижнюю плиту 2. В конструкции демпфера пре дусмотрено регулирование сил трения при помощи пружин-
42
ного устройства с нажимным домкратом. Предложенный сей смоизолирующий фундамент обеспечивает возможность су щественного снижения инерционных нагрузок на естествен ное основание или на свайный ростверк, на конструкции и оборудование РО АЭС в сейсмических районах при MP3 до 9 баллов включительно. Построение расчетной модели системы «основание — сейсмозащитный фундамент — реакторное отделение» и сам расчет представляют весьма сложную задачу и рассматриваются в специальной литера туре [32].
При залегании с поверхности слабых грунтов, подстила емых прочными, предпочтительным вариантом фундамента РО может оказаться свайный, иногда он может иметь суще ственно лучшие технико-экономические показатели, чем плит ный фундамент. В частности, свайный фундамент применен под РО Калининской АЭС. Применены забивные железобе тонные сваи сечением 35X35 см длиной 10 м. Шаг свай в про дольном и поперечном направлениях составлял 120 см. Под плитой реактора размером 70X70 м было забито 3470 свай.
При проектировании свайных фундаментов РО выбор вида свай и конструкции фундамента производят исходя из кон кретных условий строительной площадки. Для РО рекомен дуется применять сваи забивные, буроопускные и набивные. В случае РО к сваям-стойкам допускается относить сваи, опирающиеся нижним концом на скальный грунт; в осталь ных случаях сваи рассматриваются как висячие [17]. Основ ным способом определения несущей способности свай фунда мента РО сейчас признается использование результатов ис пытаний статической нагрузкой, на стадии предварительного проектирования допускается определять несущую способность по формулам [28] с использованием таблиц расчетных сопро тивлений грунта. Последнее применяется и при учебном про ектировании свайных фундаментов РО.
Свайные фундаменты при расчете по деформациям должны удовлетворять, как и фундаменты неглубокого зало жения, условию (9) 5 ^ su. При определении осадки или крена большеразмерный фундамент РО из висячих свай пред ставляется условным фундаментом, размеры которого опре деляются: снизу — плоскостью, проходящей через нижние концы свай, в плане — вертикальными плоскостями по пери метру ростверка. При определении давления по подошве ус
ловного |
фундамента учитывают нагрузки выше подошвы рост |
|
верка |
и |
не включают в расчет вес свай и грунта в объеме услов |
ного |
фундамента [17]. При этом в случае определения осадки |
|
природное давление из расчетной величины давления по подош ве условного фундамента не вычитается. В остальном опреде ление осадки или крена, а также оценка несущей способности
основания и устойчивости свайного фундамента РО как ус ловного фундамента осуществляются аналогично расчету фундаментов неглубокого заложения РО с использованием приведенных выше рекомендаций. С учетом сейсмических воз действий расчет свайных фундаментов РО на особое сочета ние нагрузок ведется в соответствии с требованиями [28].
3. ФУНДАМЕНТЫ ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ И ДЫМОВЫХ ТРУБ
На АЭС воздух после вытяжного вентиляционного центра выбрасывается в атмосферу через вентиляционные трубьц высота которых должна обеспечивать разбавление радиоак тивных выбросов до допустимых «концентраций на уровне земли. Для атомных реакторов с тепловой мощностью 300 МВт и более высота вентиляционных труб должна быть не менее 100 м [15]. По месту расположения вентиляционных труб по отношению к главному корпусу АЭС различают от дельностоящие трубы и трубы, расположенные на отделениях главного корпуса, в частности на куполе защитной оболочки реактора. Первые выполняются из монолитного железобетона* их оболочки имеют форму усеченного конуса с уклоном обра зующей 2—3%. Вентиляционные трубы, расположенные на отделениях главного корпуса, проектируют металлическими цилиндрической формы либо самонесущими, либо в опорном «каркасе в виде металлической решетчатой башни.
На ТЭС дымовые газы, образующиеся в котлоагрегатах при сгорании топлива, отводятся дымовь\ми трубами. По* мере роста мощности агрегатов и электростанций высота ды мовых труб из условия допустимого загрязнения воздушногобассейна все увеличивается и на современных ТЭС уже до стигает 330—420 м. Высота труб принимается из условия уни фикации кратной 30 м. Оболочка дымовых труб крупных ТЭС выполняется обычно из монолитного железобетона и имеет форму усеченного конуса или принимается в виде со четания цилиндра и конуса. Уклон образующей может ме няться: в верхней части— 1,5—3%, в нижней цокольной ча сти— до 8%. Минимальная толщина стенки оболочки 160— 200 мм.
Фундаменты отдельно стоящих вентиляционных и дымовых труб в большинстве своем проектируются в виде фундаментов^ мелкого заложения на естественном основании. В случае сла бых грунтов в основании иногда применяются распредели тельные (песчаные, гравийные) подушки либо принимается вариант свайного' фундамента.
Фундамент мелкого заложения под дымовую или вентиля ционную трубу состоит обычно из сплошной круглой ИЛИ КОЛЬ-
44
цевой плиты, переходящей в верхней части в конический стакан.
На рис. 8 показана конструкция железобетонной вентиля ционной трубы высотой 180 м, опирающейся на сплошной круглый фундамент.
А-А
им
|
|
|
|
1---------- |
|
|
|
|
|
|
,200 |
Л |
'38000 |
|
4 |
|
|
|
|
|
|
го--------------- |
|
|
|
|
|||
Рис. |
8. |
Железобетонная |
вентиляционная |
труба высотой |
|||||
180 |
м: |
1— оболочка |
трубы; 2 — пешеходные |
мостики |
и хо |
||||
довые |
лестницы; 3 |
— ввод |
вентиляционного короба; |
4 — |
|||||
|
|
|
|
|
|
фундамент |
|
|
|
Пример фундамента со сплошной круглой плитой под ды мовую трубу высотой 180 м одной из крупных ТЭС Сибири^ представлен на рис. 9. В основании фундамента от поверхно сти залегают суглинки тугопластичной и полутвердой кон систенции мощностью 4,8—6,3 м (е — 0,5, Е = 30—40 МПа,
Ф = 18 — 20°, с = |
0,04 — 0,06 |
МПа), глина мяпкопластичной |
консистенции / = |
1,9 м (Е = |
18 МПа), пески мелкие t = 5 — |
4S-
— 7 м (£ = 30 — 40 МПа), |
суглинки мягкопластичные t = |
||
= 4,7 — 8,4 м (£ = |
9 МПа), |
подстилаемые мощной |
толщей |
пылеватого песка |
(£ = 20 МПа). По данным наблюдений, |
||
средняя осадка и крен этого фундамента составили S = 6 ,6 CM, |
|||
г = 0,00017, что меньше допускаемых su = 30 см, 1и= |
0,0028. |
||
На рис. 10 показаны разрез (вместе с основанием) |
и план |
||
кольцевого фундаменту дымовой трубы высотой 330 м мощ ной ТЭС, работающей на угле. Фундамент имеет в попереч ном разрезе кольца тавровое сечение с наружным диаметром 43 м и шириной подошвы 11 м. Высота фундамента и глу бина его заложения составляют 5 м. Фундамент и ствол трубы выполнены из монолитного железобетона. Основание фунда
21.000
Рис. 9. Круглый фундамент дымовой трубы высотой 180 м
мента трубы представлено суглинком |
(слой 1) толщиной 1 м |
||||||||
(:Р = |
1,94 |
т/м 3, |
е = 0,70, |
£ = 1 4 |
МПа, |
<р = |
18°, |
с = |
|
= 0,02 МПа), песками пылеватыми и мелкими |
(слои 2 и 3) |
||||||||
толщиной |
по 4 |
м (р = 1 ,9 1 |
т/м 3, |
е = 0,65, |
£ = |
25 |
МПа, |
||
Ф = |
30°), линзой |
гравийно-галечного грунта |
(слой 4) толщи |
||||||
ной |
до 3 |
м (ip = |
2,1 т/м 3, е = 0,4, |
£ = 50 |
МПа, |
ф = |
35°), |
||
подстилаемыми мощной толщей пермских отложений, пред ставленных глиной (слой 5, £ = 16 МПа) толщиной 0,2 м,сло ем рухляков алевролитов, аргиллитов и песчаников толщиной 14- м (слой 6, £ = 20 МПа), переходящих в алевролиты, ар гиллиты и песчаники (слой 7, £ = 50 МПа).
За осадками основания велись наблюдения, начатые с момента установки арматуры фундамента. Для измерения осадок были заложены 20 марок на консолях (МК) и 6 ма рок в нижней части ствола трубы (М, рис. 10,6). Средняя осадка основания с начала укладки (23.07.80) арматуры фун дамента и до окончания возведения трубы (26.02.83) соста вила 5 см. К моменту окончания возведения трубы среднее
46
давление на основание достигло 0,3 МПа. Через 2 года после возведения осадки практически стабилизировались. Средняя осадка основания достигла 5,8 см, что меньше допустимой
su = Ю см. Осадки консолей фундамента были меньше на
Рис. |
10. Кольцевой фундамент дымовой трубы высотой |
|
|
||
|
|
330 м |
|
|
|
7 мм осадок ствола трубы. Крен фундамента |
составил |
i = |
|||
= 0,0002 (iu = |
0,0015). Параллельно с указанными |
велись |
|||
наблюдения |
за |
перемещениями глубинных |
марок |
(ГМ, |
|
рис. 10, а). |
По данным этих наблюдений около |
70% |
средней |
||
47
осадки основания трубы произошло вследствие сжатия верх него слоя'толщиной 5,5 м.
Следует заметить, что кольцевые фундаменты при строи тельстве дымовых труб в настоящее время получили весьма широкое распространение. В последние 10— 15 лет на кольце вых фундаментах было построено более 100 дымовых труб; в частности, кольцевой фундамент применен для трубы Экибастузской ГРЭС высотой 420 м. Для высоких труб фунда менты по размерам приближаются к фундаментам реактор ных отделений. ч
Расчет мелкозаложенных фундаментов круговой и кольце вой в плане формы, применяемых для дымовых и вентиля ционных труб, производится по схеме расчета отдельных фун даментов на естественном основании в соответствии с [26]. Основными нагрузками при этом являются вес оболочки: трубы, ее внутренних элементов (футеровка, теплоизоляция, газоотводящие стволы и др.) и ветровое давлений.
При назначении глубины заложения фундаментов труб учитывают те же факторы и соображения, что и при проек тировании, например, фундаментов колонн, опор и т. п. (см. раздел 1). Поскольку и дымовые трубы ТЭС, и вентиляцион ные (на отдельном фундаменте) трубы АЭС располагаются вблизи главных корпусов, то часто глубину их заложения принимают такой же (d = 2 — 4,5 м), кДк и фундаментов колонн главного корпуса при опирании тех и других на один и тот же несущий слой грунта.
При назначенной глубине заложения размеры подошвы фундамента трубы в плане на первом этапе определяют из условия ограничения напряжений по подошве по фор муле (2).
В соответствии с нормами [26] для сплошного круглого-
фундамента в фо-рмуле |
(2) необходимо принять |
А = пгф2у |
||
а в зависимости |
(1) для |
расчетного |
сопротивления b = 2гф, |
|
где Гф — искомый |
радиус |
подошвы |
фундамента, |
определяе |
мый из решения кубического уравнения, получаемого из (2). Учитывая, что в случае круглых фундаментов часто устраи вается внутренняя полость для подвального помещения, ве личину уСр нd в формуле (2) рекомендуется умножать на ко эффициент заполнения, равный 0,5, если подвальная часть остается незаполненной.
Для кольцевого фундамента трубы необходимо сначала назначить радиус г0 осевой (серединной) линии ленты кольца, например по данным о размере оболочки трубы по ее по дошве. В этом случае искомым размером для кольцевого фун дамента становится ширина ленты кольца t = гн— гвн по по дошве. Для определения t согласно [26] необходимо в фор муле (2) принять А = 2яг0/, а в зависимости (1) для R —
48
Ь = t, в результате из формулы (2) следует квадратное уравнение относительно t.
Считаем необходимым подчеркнуть, что использование за висимости (1) для расчетного сопротивления R при опреде лении размеров круглого или кольцевого фундаментов по формуле (2) не соответствует расчетной схеме получения R как определенного значения полосовой нагрузки на основа ние в условиях плоской деформации (см. раздел 1). Как по
казали |
исследования (А. В. Пилягин и др.) |
[16], |
при оди |
||
наковой |
глубине |
развития |
пластической области |
(zmax = |
|
= 0,256 |
или с?ф) |
значение |
R, установленное |
по результатам |
|
решения осесимметричной задачи для основания круглого или кольцевого фундамента, превышает значение R, найденное по формуле (1), т. е. использование согласно [26] зависимости
(1) для R приводит к некоторому завышению площади по дошвы круглого фундамента.
Использование зависимости (2) отвечает случаю цен трально приложенной равнодействующей Nu вертикальных сил. При одновременном действии Nu и момента Мц (от вет рового давления и др.) размеры подошвы фундамента трубы при соответствующей их корректировке (при необходимости)
должны обеспечивать выполнение помимо условия р ^ |
R ус |
||||
ловий (Утах> 1,2/?, (Tmln > |
0. |
ПрИ |
ЭТОМ Напряжения |
Стах» |
|
Omin под краями фундамента |
(см. формулу (4)) определя |
||||
ются как |
|
|
|
|
|
0шах |
N U |
|
| |
(26) |
|
A |
~ |
W ' |
|||
min |
|
||||
где A^n, Mu— расчетные вертикальная составляющая равно действующей сил и момент в уровне подошвы, определяемые с учетом веса оболочки, фундамента и ветровой нагрузки; W — момент сопротивления, для сплошного круглого фун дамента W = ягф3/ 4, для кольцевого
На следующем этапе определяют расчетные совместные деформации основания и фундамента трубы для их сопостав ления с предельно допускаемыми нормами [26]. Для фунда ментов вентиляционных и дымовых труб необходимо опреде лить осадку и крен согласно [26, прил. 2], методика расчетов
изложена в разд. 1.
При определении осадки учитывают центрально приложен ную равнодействующую вертикальных сил (среднее давле ние р по подошве). В зависимости от размеров фундамента, деформируемости грунта и др. [26] для определения осадки
4 |
49 |
фундаментов труб применяют расчетную схему полупростран ства с условным выделением сжимаемой толщи или схему слоя конечной толщины и используют соответственно фор мулы (5) — (7) или (8) (см. раздел 1). При применении ука занных формул необходимо принимать для круглых фунда ментов Ь= 2гф, кольцевых b = t = гн— гв„.
При применении формул (5) — (7) для определения осадки различных точек основания необходимо построить эпюры Огр по соответствующим вертикалям. Для этих целей исполь зуют табл. 5 относительных напряжений kaz= az/p от на грузки р, равномерно распределенной по площади круга ра диусом гф (см. раздел 2). Для сплошного круглого фунда мента осадка основания определяется обычно под центром подошвы, в этом случае эпюру azp строят по вертикали пг =
0. Для кольцевого фундамента осадка определяется под серединой подошвы кольца и вертикаль, на которой строят эпюру azp, имеет уравнение г = г0. На данной вертикали на пряжения aZp от нагрузки р, равномерно распределенной по
площади кольца шириной t = |
гн— гвн, определяют как (Ozp = |
= (k'°z— knaZ)p, где k'aZy knoz |
принимают по табл. 5 соответ |
ственно для значений п'г = г0/г н и п"Г= г0/г вн. |
|
В развитие СНиП 2.02.01—83 в НИИ оснований (К. Е. Его |
|
ров и др., 1986) была предложена уточненная методика расчета осадок высоких (200 м и более) дымовых труб, опи рающаяся на результаты обобщения данных обширных на турных измерений деформаций оснований фундаментов труб.
Учитывая |
умеренную нагрузку на основания (р = 0,3 — |
— 0,4 МПа) |
и большую опорную площадь фундаментов, рас |
чет деформаций оснований труб рекомендуется производить по теории линейно-деформируемого слоя «конечной толщины. При этом среднюю осадку кольцевого (круглого сплошного) фундамента предлагается определять по формуле
П kL-- kty
s = 2rHp 21----- -в-------, |
(27) |
где р — среднее давление по подошве фундамента; п — коли чество слоев, различающихся по модулям деформации £\ в пределах сжимаемого слоя конечной толщины Я; &;_ь kt — коэффициенты, принимаемые для t-ro слоя по табл. 6 по зна чениям Zi~\/г„, Zi/<rHи п = гвн/г н, где zt_b z*— соответственна заглубление кровли и подошвы i-го слоя от подошвы фунда мента. Заметим, что предложенная формула (27) для осадки по своей сути является вариантом формулы (8), предназна ченным для круглых и кольцевых фундаментов.
Величину сжимаемой толщи Я рекомендуется принимать: для песков и супесей Я = 0,7/-„, песчано-глинистых грунтов —