Взаимодействие фундамента ветроагрегата с грунтом основания тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.07 ВАК РФ

на правах рукописи

Р Г О ОД 2 3 0ÍÍT 1305

Анастаз ХАЕЙЯРВИЕ

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ «УНДАШГГА ВЕГРОАГРЕГАТА С ГРУНТОМ ОСНОВАНИЯ

01.02.07 - Механика сыпучих тел, грунтов и горных пород

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1095

Работа выполнена в Ордена дружбы народов Российском университете дружбы народов.

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук, профессор Дидух В.И.

- доктор технических наук, старший научный сотрудник Обозов В. И.,

- кандидат технических наук, старший научный сотрудник Федоровский В. Г.

Ведущая организация: Предприятие "Экологически чистая энергетика".

Защита состоится " ^¿Ю^^} 1995 г. в^ часов на заседании диссертационного совета Д 053.11.05 в Московском Государственном строительном университете по адресу:

Москва, Спартаковская ул., д.2, ауд. 212.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГСУ.

Автореферат разослан " От-" г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук,

профессор А. Д. Крыжановский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Сегодня наука обещает создать экономичные способы переработки урана/ более современные и эффективные технологии использования органического топлива, термоядерного преобразователя и т.д. Но динамика реальной жизни обращает человечество к возобновляемым экологически более чистым источникам энергии (геотермальная энергия, ветер, биомасса, солнечная энергия, фотосолнечные элементы).

В последние годы во всем мире наблюдается заметный рост интереса к использованию энергии ветра. Например, в С311А, Германии, Дании, Испании, Франции, Австралии, Китае, Иордании, России, Японии, на Украине и в других странах приняты государственные программы освоения нетрадиционных возобновляемых энергоресурсов, в которых большое внимание уделено использованию ветровой энергии.

Используемые ветроустановки в большинстве случаев имеют традиционную компоновку с лопастями, вращающимися вокруг горизонтальной оси. По оценке видных специалистов по ветроэнергетике мощность таких ветроагрегатов ограничена, и более перспективными в будущем окажутся так называемые ортогональные ветроагрегаты, у которых ось вращения перпендикулярна скорости ветра. Агрегаты этого типа успешно разрабатываются в России предприятием "Экологически чистая энергетика".

Одной из актуальных проблем ветроэнергетики является конструктивное решение ветроэлектростанций и, в частности, расчет и проектирование систем несущих конструкций ветроагрегатов. Диссертация посвящена изучению взаимодействия фундамента ветроагрегата с грунтом основания.

Представленные в диссертации исследования составляют раздел госбюджетной научно-исследовательской темы N 122001 по совершенствованию методов расчета, проектирования и повышения надежности промышленных, гражданских и транспортных сооружений, которая выполняется по плану работ Российского университета дружбы народов на кафедре строительных конс-

трукций и сооружений.

Дель диссертационной работы. Основной целью диссертационной работы является разработка практического метода оценки контактных напряжений и осадки фундамента ветроагрегата с учетом специфики действующих нагрузок.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- установить особенности нагрузок, передаваемых ветро-агрегатом на фундамент;

- разработать расчетную схему взаимодействия фундамента и основания, адекватно отражающую поведение грунта в условиях циклического" нагружения;

- разработать алгоритмы и программы для ЭВМ, реализующие применение расчетной схемы;

- разработать методику и выполнить лотковые эксперименты с циклическими нагрузками на штамп;

- выполнить численные расчеты для сопоставления расчетной схемы с экспериментальными данными;

- выполнить численные расчеты для конкретных ветроагре-гатов.

Научная новизна работы.

1. Предложена новая расчетная схема для оценки напряженно-деформированного состояния основания, подверженного действию переменных или перемещающихся нагрузок, учитывающая упругопластический характер грунта.

Разработан новый экспериментальный стенд для изучения взаимодействия жесткой балки с песчаным основанием в . лотке при действии перемещающейся нагрузки.

3. Получены новые экспериментальные данные о перемещениях и зонах потери контакта балки под действием циклической перемещающейся нагрузки.

4. Разработаны новые алгоритмы и программы, обеспечивающие использование предложенного метода, расчета в проектировании.

На защиту выносятся 1. Анализ нагрузок, воздействующих на фундамент ветро-агрегата.

2. Результаты экспериментального исследования взаимодействия жесткой балки с песчаным основанием в лотке при воздействии на балку вертикальной постоянной перемещающейся нагрузки.

3. Расчетная схема взаимодействия основания с фундаментом, подверженным действию циклической моментной нагрузки, учитывающая упругопластический характер деформирования грунта.

4. Алгоритмы и программы, обеспечивающие использование предложенного метода расчета в проектировании.

Практическое значение работы и ее реализация

Предложенный метод оценки напряженно-деформированного состояния грунтового основания прямо предназначается для непосредственного использования в проектировании строительных объектов, фундаменты которых испытывают воздействие переменных или перемещающихся нагрузок.

Проведенный в диссертации анализ напряженно-деформированного состояния основания, учитывающий упругопластический характер деформирования грунта, служит основой Зда дальнейшего совершенствования методов расчета фундаментов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на XXVIII, XXIX, XXX научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава и научных сотрудников инженерного факультета Российского университета дружбы народов (Москва,. 1992, 1993, 1994).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 3 печатных^, работы.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы. Общий объем диссертации составляет 190 страниц, включая 96 страниц машинописного текста,. 77 иллюстраций, 17 таблиц и список литературы 13 129 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается выбранная тема исследования, ее актуальность, формулируется цель и основные задачи исследования, а также их практическая значимость. Изложены основные положения, которые составляют научную новизну диссертационной работы и выносятся на защиту.

В главе I дан обзор предшествовавших исследований. По литературным источникам анализируется состояние современных разработок по конструкциям ветроэнергетических установок.

Дается характеристика конструктивных решений традиционных коллинеарных ветроагрегатов, т.е. имеющих ось вращения, коллинеарную скорости ветра. Рассмотрены компоновки и материалоемкость крупных ветроагрегатов этого типа.

Вместе с тем в ряде стран (Канада, ФРГ, США, Венгрия, Нидерланды, Швеция, Великобритания) ведутся разработки ветроагрегатов принципиально другой конструкции, а именно - ортогональных агрегатов, у которых ось вращения перпендикулярна скорости ветра.

В России уже в течение ряда лег ведутся успешные конструкторские и технологические работы по созданию ортогональных ветроагрегатов различных типов и. мощностей под руководством профессора В.М.Лятхера. По мнению многих специалистов, ортогональные ветроагрегаты имеют лучшие перспективы при создании установок большой единичной мощности.

В СССР первая крупная опытная ветроустановка мощностью 100 кВт была построена около Балаклавы в 1931 г. Вопросами создания ветроэлектростанций занимались Н.Е.Жуковский, А.Г.Уфимцев, В.П.Ветчинкин, Ю. В. Кандрамок, Н.В.Никитин, в последние годы А.Н.Котик, М.А.Гусев, Б.И.Дидух, А.Г.Соколов, ■В.С.Поляк, Л.В.Касабьян, груша ученых и инженеров персонала Гидропроекта, возглавляемая Н.А.Малышевым и В.М.Лятхером.

- В целом из анализа.предшествовавших работ по освоению ветроэнергетики следует перспективность ветроэлектростанций

как экологически чистого источника возобновляемой энергии и целесообразность разработки ветроагрегатов различных конструктивных типов.

В главе 1 приводится также обзор и анализ теоретических и экспериментальных исследований по взаимодействию балок и плит с грунтовым основанием.

Экспериментальную базу для построения контактных моделей основания1 составляют результаты штамповых испытаний грунта. В контактной модели основания исходной характеристикой грунта служит зависимость между контактным давлением р, передаваемым по подошве-плиты или фундамента на основание, и осадкой Б поверхности основания.

Наибольшую известность получила контактная модель основания, в которой принимается прямая пропорциональность между давлением и осадкой. Гипотеза прямой пропорциональности, впервые предложенная русским академиком Н.И.Фуссом (1801), была применена ЕСинклером (1867) и Х.Циммерманом (1888) для расчета железнодорожных шпал и известна в литературе как гипотеза коэффициента постели. Достоинством этой модели является сравнительная простота математического аппарата.

Усилиями таких ученых, как Н.П.Пузырёвский (1923), А.Н.Крылов (1931), Н-.М.Герсеванов (1933) разработаны эффективные приемы для практического использования расчетов по модели винклерова основания.

Наряду с моделью коэффициента постели широко применяется в расчетах оснований модель Упругого полупространства. Для этой модели характерно то, что деформационные свойства грунта, а именно модуль деформации Ео и коэффициент Пуассона V не зависят от размеров опытного штампа, при помощи которого в полевых испытаниях определяются эти величины. Модель упругого полупространства позволяет учесть влияние на осадку соседних ранее выстроенных и вновь строящихся, зданий.

В.А.Флорин указал, что каждая из упомянутых моделей имеет ,свою область применения. Гипотеза коэффициента пастели больше соответствует работе грунта в состоянии, близком к

предельному по несущей способности. Модель упругого полупространства, напротив, лучше описывает диапазон допредельных напряженных состояний.

Отмеченные модели, однако, не пригодны для изучения взаимодействия с основанием фундамента ветроагрегата, т.к. описывают только упругие деформации грунта, в то время как процесс циклического нагружения грунта сопровождается приобретением пластических деформаций. Как показано в работах Б.И.Дидуха, учет упругопластического характера деформирования грунта является принципиально важным при изучении переменных или перемещающихся нагрузок. Поэтому в основу расчетной схемы, предлагаемой в диссертации, были взяты положения и методы из трудов Б.И.Лидуха.

Обоснование применения различных моделей грунта может быть получено только путем сопоставления результатов натурных испытаний с расчетными результатами.

В литературном обзоре главы I отражены экспериментальные работы В.И.Курдюмова, П.А.Минаева, Н.Н.Давыдова, Г.И.Покровского, В.Ф.Бабкова, Д.С.Баранова, С.С.Вялова, М.В.Малышева, А.Л.Крыжановского, М.Ю.Абелева, В.Ф.Сидорчука и других.

Проведенные экспериментальные исследования И.Ю.Амшею-сом, А.А.Аликонисом, А.В.Худяковым, В.В.Ледневым и др. показали, что на н.д.с. грунтов под штампами оказывают влияние не только форма и размеры фундаментов, но и цикличность нагружения.

В главе П анализируются нагрузки, действующие на фундамент ветроагрегата в эксплуатационном режиме. Основными нагрузками являются собственный вес конструкции ветроагрегата и! аэродинамическая ветровая нагрузка: Последняя существенно определяет расчет и проектирование всех несущих конструкций.

При наличии в конструкции ветророгора с двумя лопастями , - расположенными на одном диаметре (рис. 1), центробежные силы, действующие на опору, взаимно компенсируются, и на опору передается равнодействующая аэродинамических сил.

Рис. 1. Обший вид двухлопастной ветроэлектростанции.

На рис. 2 показаны аэродинамические нагрузки на лопасти: радиальные N и касательные (тянущие") Т. Годограф вектора суммарных усилий от аэродинамических нагрузок, приложенного на уровне верха опоры-башни ветроагрегата, показан на рис. 3. На фундамент указанная нагрузка передает момент с плечом, равным высоте опоры-башни, и горизонтальное усилие. В дальнейшем исследовании общий момент представляется в виде суммы »моментов Мк и Ну относительно осей фундамента х и у соответственно. Величины этих моментов циклически меняются в за-, висимости от угла и положения лопастей на круговой трассе их движения..

Рис.3. Годограф вектора полного усилия, действующего на опору, для ветроагрегата мощностью 130 кВт с числом оборотов 20 об/мин.

6 главе П указана траектория нагружения фундамента в процессе вращения вегроротора. Параметром нагружения является эксцентриситет е приложения вертикальной постоянной силы N0 относительно середины балки, который задается как функция времени: е - е (О. Здесь Ъ - время, показывающее последовательность приложения усилий.

В главе Ш приведено теоретическое решение задачи взаимодействия фундамента ветроагрегата с грунтом основания. Фундамент рассматривался как жесткая балка. Для теоретического описания взаимодействия фундамента с упругопластичес-ким основанием была использована контактная модель основания, которая, в линейно-упругом варианте известна как модель коэффициента постели или винклерова "основания. Принципиальное отличие в предлагаемой нами модели состоит в учете различных законов деформирования грунта при нагрузке и разгрузке (рис. 4).

Рис. 4. Расчетная диаграмма зависимости осадки основания Б от контактного давления р, к - коэффициент постели при нагрузке, к1 - то же при разгрузке 8*- кг/к, кг > к.

Рис. 5. Расчетная схема для определения реактивного давление на фундамент.

Аналитическое решение возникающей нелинейной задачи о циклической моментной нагрузке на фундамент весьма трудоемко, поэтому была использована дискретная контактная модель. Дискретизация заключается в том, что эпюра контактного давления аппроксимируется п сосредоточенными усилиями Р1 (Рис.5).

'Определение реактивного давления на фундамент вдоль оси у ведется на один погонный метр ширины фундамента вдоль оси х, т.е. показанная на рис. 6 сила Нр » Н/Ь. Здесь N - общая вертикальная сила, действующая на уровне подошвы фундамента; Ь - ширина фундамента.

Осадка основания Б!- и контактное усилие Р1 связаны неоднозначной зависимостью, обусловленной пластическими (остаточными) деформациями грунта.. Каждая из п расчетных точек подошвы фундамента может, пребывать в одном из трех режимов взаимодействия: 1-й режим - нагрузка; 2-й режим - разгрузка или вторичная нагрузка; 3-й режим - потеря контакта подошвы с основанием. Неизвестными величинами являются р1, 81 и Здесь - смещение 1-ой точки подошвы фундамента. Для их определения используются следующие уравнения:

1) во всех режимах справедливы уравнения равновесия фундамента, их число равно 2;

; 2) так как фундамент жесткий, то положение подошвы имеет вид линейной зависимости: Ы = осу + е. Откуда следуют уравне-. ния вида

Иг - гщ .+ И3 - 0;

У'2 ~ + = О; Ип-2 -2Ип-1 + Ип - О

£4)

3) для П1 точек, находящихся в 1-м режиме, справедливы уравнения вида

р4 - кЗ! « 0; (5)

31 - V! - О. (6)

4) для па точек, находящихся во 2-м режиме, справедливы уравнения вида

Р1 - № = (1 - 8) Р*1; (7)

31 - = 0. (8)

, 5) для пз точек, находящихся в 3-м режиме, имеют место уравнения вида

Р1 = 0; (9)

3! - рн! (1 - 1/8) / к (10)

В целом имеем систему 3-п - линейных алгебраических уравнений. Система решается методом Гаусса. Однако требуется получить такое решение, когда выполняется условие пребывания каждой точки в соответствующем режиме. .

Заранее неизвестно, какие именно и сколько точек находится в том или ином режиме. Известны лишь условия перехода из одного режима в другой. В этом заключается основная трудность в разработке алгоритма решения задачи. Предложенный в диссертации алгоритм малых шагов изменения эксцентриситета базируется на работах.Б.И.Дидуха.и А.В.Микулича. Составлена программа, которая обеспечивает надежное решение поставленной задачи.

В главе 1У представлена экспериментальная часть диссертационной работы. Даны описания экспериментального стенда и методика проведения эксперимента, приводятся- результаты испытания.

Эксперименты выполнены в грунтовом лотке. Исследовалось взаимодействие жесткой металлической балки (двутавр длиной 900 мм, шириной 81 мм и высотой 180 мм) с песчаным основанием в лотке. Гранулометрический состав песка приведен в таблице 1. С помошью домкратов, перемещаемых по балке циклически, вправо и влево от центра, создавалась переменная момент--ная нагрузка на балку, использовалась стандартная измерительная аппаратура для фиксация смещений балки, а также дополнительные устройства, изобретённые автором и позволяющие проследить стадии частичного отрыва балки от грунта, изменение длины контактных участков (табл. 2). Выявлены детали и

Таблица 2. Результаты экспериментов

Цикл Длина отрыва балки от основания, 10тр, мм при е/1

е/1 =0,0 0,2 0,4 0,2 0,0 -0,2 -0,4 -0,2 0,0

1 Л 0 0 310 190 .0 0 0 о- 0

П 0 : о . 0 0 0 150 190 190 70

2 •л 0 190 • 310 270 110 0 0 30 110

П 70 30 , 30 0 . 30 190 190 190 70

3 Л 110 230. 310 270. -150 30 0 70 110

П 70 0 0 0 70 190 . 190 190 150

4 . Л 110 230 310 270 150 30 0 0 190

П 150 30 0 0. 70 150 150 150 150

5.. Л 190 230 310 270 150 30 30 30 150

п 150 30. 0 0 •70 150 150 150 150

6 л 150 230 310 270 150 •30 0 70 110

п 150 0 0 30 150 230 270 150 150

7 л 110 230 310 270 190 70 70 0 . 150

п 150 30 0 . 30 150 150 150 150 110

.8 л 150' 270 310 310 190 70 0 70 110

п 110 . 30 0 0 110 230 270 230 150

9 л 110 270 310 270 190 70 0 70 150

п 150 30 0 70 150 230 270 270 150

10 л 150 270 310 310 190 1 70 70 70 150

п 150 30 0 30 150 270 270 270 150

Л - левый край балки, П- правый;край балки.

установлена закономерность этого процесса.

Таблица 1. Гранулометрический ссстав песка основания

Фракции > 0,65 мм 0,65-0,315 0,315-0,14 .< 0,14 мм

%-ное содержание 0,4 17,6 79,1 2,9

В главе V приведены результаты вычисления для балки в лотке. В таблице 2 приведены длины отрыва балки от основания при различных эксцентриситетах приложения нагрузки N =» 3000Н*

Различие в перемещениях балки и поверхности основания показано на рис. б. Перемещение балки увеличивается в 2,3 раза по сравнению с упругим основанием. На этом же рисунке показаны соответствующие экспериментальные положения балки.

,М =зооо Н

{11 я ^УУМ п

_054 0.72 0,90 м

1

——- .

Г"""" Ж "ЗГ

С, Ц ми

Рис.6. Зависимость положения балки и поверхности'основания от истории нагрукения в конце цикла •

•...... расчетная зависимость (жирной линией -

поверхнбсть основания).,

• —.---. экспериментальная зависимость,

---по упругой модели основания; 0 - начало

циклического нагрухения, 1,4- номера циклов

В главе V приведены также результаты вычисления для конкретных объектов ветроагрегата. В частности, рассмотрено взаимодействие фундамента ветроагрегата, общий вид которого 'показан на рис. 1, с грунтом основания. Общая вертикальная нагрузка, действующая на уровне подошвы фундамента, Н = 1000 кН.

Из годографа вектора полного усилия (рис. 3) следует, что составляющая полного усилия Y меняется от -80 кН до 150 кН. Следовательно, момент И*, передаваемый на основание, меняется ОТ -1544 кН-м ДО 2895 кН-М-

Результаты вычисления контактного давления показаны на рис. 7.

5

10

15

20 » * ■■ '! - •

Рис. 7. Различие эпюр реактивного давления на фундамент в зависимости от истории нагружения. Эксцентриситет в = 1,18 м; 1 - при движении силы Но вправо; 2 - при движении силы N0 влево; 3 - при повторном движении вправо; 4 - по решению для винклерова основания.

Действие вертикальной силы Н и момента Их на жесткий фундамент можно заменить- действием эксцентричной силы N от- , носительно центра симметрии подошвы фундамента. Таким обра-

С. СгЮе

Г а

150 кН

ИМ

70кИ/м

к

Г

а= 6м

~\Г

¡150 кН

ттт

2 М

Рио. 8 Схема действующих нагрузок на фундамент (к определению внутренних усилий)

-400 -300 -200 -100 О -100 200 300 400 500 600

X ©

ч ч^ \ N. ■у.,,.

V \\ \ 2 3 к 5 б 7 8 9 1\

\ ч\ \ \ / ✓ г N ч ч > ©

\ Л \' \ 1 / / >6 \\ /

\ Г / ф. \Д) \\ и /

\\ \\ \\ // Г

1 1 1 Ч1 \ •

Рис. 9 Огибающие эпюры изгибающих моментов; 1- для упру-

г©пластического основания, 2 - для упругого,основания

17

зом эксцентриситет еу приложения силы М меняется от -1544/1000 ДО 2895/1000, т.е. -1,544 < еу < 2,895 м. Для указанной траектории нагружения ei = 1,544 м; = 2,895 м. Приняты к - 1000 КН/М3; в = 5, 1 = Ь = 10 м, Н0 - Н/Ь = 100 кН.

Прямое практическое значение полученных результатов иллюстрируется следующим примером расчета внутренних усилий (изгибавших моментов) в железобетонном фундаменте ветроагрегата. При расчете фундамента схема действующих нагрузок показана на рис. 8. На рис. 9 дано очертание огибающих эпюр для упругопластического основания и для упругого основания.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Выполнен анализ специфических аэродинамических нагрузок, передаваемых на фундамент ветроагрегата с вертикаль-» ной осью вращения.

2. Установлено, что грунт в основании фундамента подвержен циклическому нагружению с большой амплитудой. Выявлена необходимость учета упругопластического характера деформирования грунта для оценки напряженного состояния фундамента.

3. Разработана расчетная модель взаимодействия фундамента ветроагрегата с грунтом основания. Фундамент принят жестким, а грунт - деформирующимся различно при нагружении и разгрузке.

4. Лично диссертантом составлены алгоритмы и программы длй ЭВМ, реализующие расчет взаимодействия фундамента с грунтом основания при произвольной истории нагружения.

5. Выполнены численные эксперименты по предложенной расчетной схеме. Установлено принципиальное отличие результатов расчета по упругопластической модели грунта от расчетов по традиционной упругой модели. Многократное циклическое воздействие приводит к увеличению общей осадки фундамента. Однако главный эффект состоит в качественном изменении эпюры реактивного давления.

6. Примером расчета внутренних усилий (изгибающих моментов)' в железобетонном фундаменте ветроагрегата показано,.

что использование решения по модели упругого основания приводит к недоучету больших растягивающих усилий в верхней зоне сечения фундаментной плиты.

7. Процесс циклического нагружения жесткого штампа исследован экспериментально в грунтовом лотке. Экспериментально подтверждены все характерные детали процесса взаимодействия фундамента с основанием, отраженные в расчетной схеме. Получена полная экспериментальная информация о кинематике процесса циклического моментного нагружения штампа.

8. Получено удовлетворительное совпадение экспериментальных данных с результатами расчета по предлагаемой методике.

9. Результаты выполненных экспериментальных и теоретических исследований составляют основу для практических рекомендаций по проектированию фундаментов, подверженных переменным или перемещающимся нагрузкам.

По материалам диссертационной работы автором опубликованы следующие печатные работы:

1. Б.И.Дидух, Анастаз Хабияремие. Анализ напряженного сотояния. в грунтовом массиве с цилиндрической выемкой. Меж-

2. Анастаз Хабияремие. Анализ процесса консолидации с учетом различия деформирования грунта при нагрузке и разгрузке. Межвузовский сб. научн. трудов. Вып. 3, М., 1994.

3. Анастаз Хабияремие. Исследование взаимодействия жесткой балки с песчаным основанием в лотке при воздействии на балку вертикальной постоянной перемещающейся нагрузки. Меж+вузовский сб. научн. трудов. Вып. 4, М.- МБК "Биоконтроль", 1994.