基础工程课件 第十章 动力机器基础与地基基础抗震.ppt

第10章动力机器基础与地基基础抗震 §10.1概述§10.2振动对地基的影响及机器基础的设计步骤§10.3实体式基础振动计算理论简述及地基动力参数§10.4实体式基础振动计算方法§10.5锻锤基础的设计(自学)§10.6曲柄连杆机器基础设计简述(自学)§10.7振动基础在土中引起的波动及防震措施(自学)§10.8地基基础抗震2 §10.1概述动力机器的分类:按对基础的动力作用形式1.周期作用的机器往复运动的机器活塞式压缩机、柴油机及破碎机等。它们的特点是平衡性差、振幅大，而且由于转速低（一般不超过500～600r/min），有可能引起附近建筑物和其中部分构件的共振。旋转运动的机器如电机（电动机、电动发电机等）、汽轮机组（汽轮发电机、气轮压缩机等）及风机等。气轮机组的特征一般是工作频率高、平衡性能好和振幅小。3 2.间歇性作用或冲击作用的机器锻锤、落锤（碎铁用设备）等属于间歇性作用或冲击作用的机器，其特点是冲击力大且无节奏。4 机器基础的结构类型实体式墙式框架式5 动力机器的动荷载会引起地基及基础的振动降低地基土的强度增加基础的沉降量影响工人健康和劳动者生产率影响机器的正常工作《动力机器基础设计规范》GB50040-966 动力机器基础的设计除了满足地基基础设计的一般要求外，还应使基础由于动荷载而引起的振动幅值不超过某一限值，即《动力机器基础设计规范》GB50040-96所规定的最大允许幅值。限值主要取决于：①地基和基础的振动不影响机器的正常使用；②地基和基础的振动不影响工人的身体健康、不会造成建筑物的开裂和破坏；③地基和基础的振动对附近的人员、建筑(构)物和仪器设备等产生有害的影响。7 10.2振动对地基的影响及机器基础的设计步骤10.2.1振动对土性质的影响10.2.2振动作用下地基的承载力10.2.3动力基础设计的一般步骤8 10.2.1振动对土体性质的影响振动对土的抗剪强度的影响砂土的内摩擦系数将随着振幅的增大而减少砂土的内摩擦系数随着振动加速度增大而减小粘性土的抗剪强度一般随着振动加速度的加大而减小随着土所具有的粘聚力的增加，振动对土的力学性质变化的影响将减小9 振动对土的抗剪强度的影响10 在动荷载作用下，地基的沉降比只有静荷载作用时的沉降要大，因为在前一种情况下将产生振动附加沉降。但在法向压力作用下，只有当振动加速度大于某临界值（通常为0.2g～0.3g）时才出现振动附加沉降，其值随振动加速度的增大而增大。振动作用下土的压密11 10.2.2振动作用下的地基承载力由于地基土在动荷作用下抗剪强度有所降低，并出现附加沉降，因而地基承载力特征值应予以折减。—相应于荷载效应标准组合时，基础底面处的平均静压力值；—修正后的地基承载力特征值；—动力折减系数，见《动力机器基础设计规范》GB50040-96。12 (1)旋转式基础可采用0.8;(2)锻锤基础可按下式计算;—基础的振动加速度（m/s2）—地基土的动沉陷影响系数。(3)其他机器基础可采用1.0.地基承载力的动力折减系数13 10.2.3动力机器基础设计的一般步骤(1).收集设计技术资料。(2).确定地基动力参数。(3).选择地基方案。(4).确定基础类型及材料。(5).确定基础的埋置深度及尺寸。(6).验算地基承载力。(7).进行动力计算。其内容为确定固有频率（自振、频率）和振动幅值（位移、速度和加速度的幅值等），并控制这些振动量不超过一定的允许范围，对大多数动力机器基础而言，主要是控制振幅值和速度值，而对振动能量较大的锻锤基础，则还需控制加速度值。14 10.3实体式基础振动计算理论简述及地基动力参数质量-弹簧模型质量-弹簧-阻尼器模型刚体-半空间模型10.3.1计算理论15 质量-弹簧模型理论把实际的机器、基础和地基体系的振动问题简化为放在无质量弹簧上的刚体的振动问题，其中基组（包括基础、基础上的机器和附属设备，以及基础台阶上的土）假定为刚体，地基土的弹性作用以无质量弹簧的反力表示。因此，这种理论称为动力基床系数法。后来，人们通过工程实践、试验及理论研究，对其不断加以充实和发展。为了考虑共振区的振动特性，又在上述质量-弹簧模型上加一新的元件-阻尼器，从而形成了质量-弹簧-阻尼器模型.刚体-半空间理论的计算模型是把地基视为半空间（半无限连续体）、基础作为在半空间上的刚体的一种模型。机器基础的振动以这个刚体的振动表示。利用动力弹性理论分析地基中波的传播，由解析法和数值法（如有限元法）可以求出基础与半空间接触面上的动应力。利用动力平衡条件，可以写出刚体（或基础）的运动方程，从而确定基础的振动状态。理想弹性半空间（匀质、各向同性的弹性半无限体）理论所需的地基参数是土的泊松比μ、剪切模量G及质量密度ρ。16 10.3.2地基动力特性参数天然地基动力参数天然地基抗压刚度系数；天然地基抗弯刚度系数天然地基抗剪刚度系数天然地基抗扭刚度系数天然地基阻尼比2.桩基动力参数桩基抗压刚度系数；桩基抗弯刚度系数桩基抗剪刚度系数桩基抗扭刚度系数桩基阻尼比应由现场试验确定，《地基动力特性测试规范》17 实体式机器基础的坐标系及振动分量示意图地基刚度K质量-弹簧-阻尼器模型阻尼系数N模型的质量M18 1.天然地基动力参数(1).天然地基抗压刚度系数Cz及抗压刚度Kz基底处地基单位面积的弹性动反力天然地基抗压刚度系数kN/m3抗压刚度kN/m基础底面积竖向弹性位移19 天然地基的抗压刚度系数Cz(MN/m3)20 Cz和基组的底面尺寸A有如下的关系：当基底面积A≥20m2时，变化不大，可认为是常数；当A<20m2时，与A的立方根成反比，即乘以修正系数：21 多层地基土中的地基抗压刚度系数Cz计算方形基础其他形状基础hd—影响深度22 天然地基抗弯、抗剪、抗扭刚度系数、刚度抗弯刚度系数抗剪刚度系数抗扭刚度系数抗弯刚度抗剪刚度抗扭刚度—基础底面通过其形心轴的惯性矩（m4）—基础底面通过其形心轴的极惯性矩（m4）23 当基础采用埋置、地基承载力标准值小于350kPa，且基础四周回填土与地基土的密度比不小于0.85时，其抗压刚度可乘以提高系数αz，抗弯、抗剪、抗扭刚度可分别乘以提高系数基础埋深比，大于0.6，取0.6基础埋置深度当基础与刚性地面相连时，地基抗弯、抗剪、抗扭刚度可分别乘以提高系数α1，可取1.0～1.4，软弱地基土的提高系数可取1.4，其它地基土的提高系数可适当减小。24 地基的竖向、回转向及扭转向阻尼比对于天然地基上的机器基础，当机器工作频率在共振区（一般指75%～125%的基础-地基体系自振频率所包括的频率范围）以外时，计算理论和实践均证明，地基对基础振动的阻尼作用并不明显，通常可不予考虑。当机器工作频率在共振区以内时，地基的阻尼作用比较显著，此时必须考虑地基的阻尼特性。阻尼比也受很多因素（如地基土的类型及基础特性等）的影响，其值由现场试验确定，如无条件时，可按下列公式计算。25 粘性土：砂土和粉土机组质量比竖向阻尼比机组质量地基土密度回转耦合振动第一振型阻尼比回转耦合振动第二振型阻尼比扭转向阻尼比当基础四周有地坪和填土(填土的质量有一定保证)，随着基础埋深的加大，基础在强迫振动中的共振振幅有所降低而共振频率则有所提高，即相对于明置基础，埋置基础的阻尼比有所增大。竖向阻尼比提高系数回转向或扭转向阻尼比提高系数26 2.桩基动力参数受振动作用的基础，在下列情况下常采用桩基：①必须减少基础的振幅时；②必须提高基组的自振频率时；③必须减少基础的沉降时；④是基底压力设计值大于地基土在振动作用下的地基承载力设计值时。桩基抗压刚度单桩抗压刚度桩周各土层的当量抗剪刚度系数kN/m3桩尖土的当量抗压刚度系数kN/m3桩数27 桩周土的当量抗剪刚度系数CpτkN/m328 桩尖土的当量刚度系数CpzkN/m3当桩的间距为4～5倍桩截面的直径或边长时29 预制桩或打入式灌注桩桩基的抗弯刚度桩基抗弯刚度第I根桩的轴线至基础底面形心回转轴的距离30 预制桩或打入式灌注桩桩基的抗剪和抗扭刚度桩基的抗剪刚度和抗扭刚度可采用相应天然地基抗剪刚度和抗扭刚度的1.4倍；当计入基础埋深和刚性地面作用时当采用端承桩或桩上部土层的地基承载力特征值fk≥200kPa时，桩基的抗剪刚度和抗扭刚度不应大于相应的天然地基的抗剪刚度和抗扭刚度。31 斜桩的抗剪刚度当桩的斜度大于1：6，其间距为4～5倍桩截面的直径或边长时，斜桩的当量抗剪刚度可采用相应的天然地基抗剪刚度的1.6倍；当计入基础埋深和刚性地面作用时，斜桩的抗剪刚度可按下式计算：刚性地面相连提高系数基础埋深作用对地基抗剪、抗弯、抗扭刚度提高系数32 计算预置桩或打入式灌注桩的固有频率和振幅时，仍采用质量-弹簧-阻尼器模型，但振动质量除了基组的质量外，尚应考虑桩与土参加振动的当量质量m0的影响，其竖向、水平向总质量以及基组的总转动惯量应按下列公式计算：l、b—矩形承台基础的长度和宽度（m）；lt—折算长度，与桩的入土深度的关系是：当ht≤10m时，取lt=1.8m；当ht≥15m时，取lt=2.4m；当ht=10～15m，线性插值；γ—土和桩的平均重度；g—重力加速度；m0—竖向振动时，桩和桩间土参加振动的当量质量（t）；msz—桩基竖向总质量（t）；msx—桩基水平回转向总质量（t）；J’—基组通过其重心轴的总转动惯量（t·m2）；J—基组通过其重心轴的转动惯量（t·m2）;J’z—基组通过其重心轴的总极转动惯量（t·m2）；Jz—基组通过其重心轴的极转动惯量（t·m2）。33 桩基承台底下为粘性土：预置桩或打入式灌注桩，桩基的竖向阻尼比桩基承台底下为砂土、粉土：端承桩：当桩基承台底与地基土脱空时，其竖向阻尼比可取端承桩的竖向阻尼比。34 桩基水平回转向、扭转向阻尼比回转耦合振动第一振型阻尼比回转耦合振动第二振型阻尼比扭转向阻尼比35 计算桩基阻尼比时，可计入桩基承台埋深对阻尼比的提高作用摩擦桩：端承桩：36 10.4实体式机器基础振动计算方法基础振动可分解为相互独立的三种运动：①沿oz轴的竖向振动；②在xz及yz平面内的水平回转耦和振动；③绕oz的扭转振动37 1.竖向振动Wg—基础重力；Wc—机器及附属设备重；Ws—基础台阶上土重。①基组的总重力W=mg；②竖向的扰力Pz(t)；③弹簧的反力S，它由静反力W及动位移z(t)引起的弹性动反力组成，即S=W+Kzz(t)；④阻尼器的反力38 达伦贝尔原理代入得：无量纲的竖向阻尼比竖向振动的无阻尼固有圆频率引入39 (1).无阻尼自由振动；令ζz=0及Pz(t)=0简谐运动通解初始条件代入(2).有阻尼自由振动；令Pz(t)=0有阻尼的竖向振动固有圆频率一种振幅随时间增大而减少的减幅振动40 阻尼比小于1的有阻尼自由振动41 (3).简谐强迫振动；设扰力Pz(t)=Pzsinωt振动由两部分：①有阻尼的自由振动（减幅振动），其运动由初始条件确定（即由初始条件确定A1及δ1），其频率与扰力频率无关，由于地基的阻尼作用，这一部分自由振动在很短时间内即告消失；②纯强迫简谐振动A2sin(ωt－δ)，它与初始条件无关，即频率与扰力频率相同，它是自由振动消除后剩下来的稳态振动。42 仅考虑基组的稳态振动,第一项可略去扰力与竖向位移间的相位差43 令则Ast是扰力最大值Pz作用下基组的静位移动力系数动力系数仅与及有关44 在共振区(=0.75～1.25)内阻尼的作用比较明显。工程上，一般认为当<0.75或>1.25时，可忽略阻尼效应。45 2.水平回转耦合振动基础在竖向扰力偏心作用、水平扰力和竖向平面内的扰力矩作用下，均产生水平和回转的耦合振动。例如，偏心矩为e的竖向扰力可分解为通过基组重心o的竖向扰力及对主轴的扰力矩的两种作用。前一种作用可按上述的竖向振动问题计算，后一种作用则按下述方法计算。46 47 (1).无阻尼自由振动48 (2).强迫振动的求解方法简述在简谐扰力（或扰力矩）作用下，求解运动微分方程组的强迫振动解答可用直接求解联立方程的直接法求得，也可用振型分解法求得。这些求解方法在结构动力学中详细的阐述(3).扭转振动49 §10.8地基基础抗震10.8.1地基震害饱和砂土和粉土的振动液化1976年唐山地震时在天津、唐山等地区相当普遍。但是，砂土液化引起的更为典型的现象则为冒水喷砂，喷起高度有时可达2~3m，甚至达10m以上，地震滑坡和地裂1974年5月11日云南永善大关地震，M=7.1，一处大滑坡从100余米高处滑下，阻塞河流，并将公路冲到河对岸山脚下，使路面直立，高度达10米以上；土的振陷不均匀土体和地基不均匀沉降所引起的不均匀沉陷裂缝和其他变形现象50 10.8.2地基基础抗震设计原则1一般原则选择有利的建筑场地加强基础和上部结构的整体性加强基础的防震性能合理的加大基础的埋置深度正确选择基础类型51 2天然地基抗震验算可不进行抗震验算的建筑：①砌体房屋；②地基主要受力层范围内不存在软弱粘性土层的一般单层厂房、单层空旷房屋和不超过8层且高度在25m以下的一般民用框架房屋及与其基础荷载与其相当的多层框架厂房；③《建筑抗震设计规范》Gb50011-2001规定可不进行抗震验算的建筑。52 天然地基基础抗震验算时，应采用地震作用效应标准组合地基抗震承载力调整系数53 3天然地基抗震措施全部消除地基液化沉陷的措施部分消除地基液化沉陷的措施减轻液化影响的基础和上部结构处理地基主要受力层范围内存在软弱粘性土层与湿陷性黄土时，应结合具体情况综合考虑，采用桩基、地基加固处理等各项措施。54 饱和砂土或粉土的液化判别和地基处理，6度时，一般情况下可不进行判别和处理，但对液化沉陷敏感的乙类建筑可按7度的要求进行判别和处理，7～9度时，乙类建筑可按本地区设防烈度的要求进行判别和处理。55