Меню

Возведение фундамента доменной печи



Возведение фундамента доменной печи

1 июля 1971 года

ВЕДОМСТВЕННЫЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ НОРМЫ

ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ ФУНДАМЕНТОВ ДОМЕННЫХ ПЕЧЕЙ

1 декабря 1972 года

«Инструкция по проектированию фундаментов доменных печей» (ВСН 001-71/МЧМ СССР) разработана совместно институтами Гипромез Минчермета СССР, НИИЖБ и НИИОСП Госстроя СССР.

С вводом в действие настоящей Инструкции с 01.12.1972 утрачивает силу «Инструкция по расчету и проектированию фундаментов доменных печей» (И 201-55/МСП МХП).

Внесена Гипромезом Минчермета СССР, НИИЖБ и НИИОСП Госстроя СССР.

Утверждена Министерством черной металлургии СССР 1 июля 1971 г.

Настоящей Инструкцией аннулируется «Инструкция по расчету и проектированию фундаментов доменных печей» И 201-55/МСП МХП. Коренной переработке подвергся II раздел Инструкции И 201-55 — на основании предложений Научно-исследовательского института оснований и подземных сооружений Госстроя СССР используемая в Инструкции И 201-55 для статического расчета несущей плиты фундамента теория упругого полупространства заменена теорией деформаций оснований конечной толщины. Соответственно заменены формулы, таблицы и примеры расчета.

В том же разделе на основании научно-технического отчета лаборатории жаростойких бетонов и конструкций Научно-исследовательского института бетона и железобетона Госстроя СССР переработан в соответствии с последними нормативными требованиями расчет жаростойкого массива фундамента на прочность и раскрытие трещин. Соответственно заменены формулы, таблицы и примеры расчета, а также исключены некоторые графики.

Переработан I раздел Инструкции И 201-55 в связи с необходимостью отражения новейших технических решений, предложенных практикой проектирования фундаментов современных доменных печей.

Основные расчетные положения Инструкции, касающиеся несущей плиты, применимы также к фундаментам под дымовые трубы и к другим круглым или многоугольным в плане фундаментам высотных сооружений.

Инструкция переработана начальником строительного отдела Гипромеза инж. Г.Д. Скажеником при участии гл. конструктора строительного отдела Гипромеза Н.Д. Плессеиной, руководителя сектора НИИЖБ, д-ра техн. наук А.Ф. Милованова, ст. научн. сотр. НИИЖБ, канд. техн. наук Б.А. Альтшулера, руководителя лаборатории НИИОСП д-ра техн. наук, проф. К.Е. Егорова и ст. научн. сотр. НИИОСП, канд. техн. наук Т.А. Маликовой.

1. ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

1.1. Фундаменты современных доменных печей работают в условиях постоянного воздействия значительных технологических и строительных нагрузок и неравномерного высокотемпературного нагрева.

Усилия, возникающие в фундаменте доменной печи от указанных силовых воздействий при весьма больших его параметрах, вызывают значительные объемные деформации и сложное напряженное состояние сооружения, что требует изыскания особых конструктивных форм и соответствующих материалов фундамента, позволяющих обеспечить нормальные условия его длительной эксплуатации.

Фундамент устраивают из двух частей:

а) нижней несущей части в виде мощной монолитной железобетонной плиты с размерами площади основания, определяемыми грунтовыми условиями;

б) верхней ненесущей части в виде сплошного массива из жаростойкого бетона с установкой у его боковых граней кольцевой арматуры, воспринимающей температурные усилия (Приложение 1, рис. 8) [1, 2].

При устройстве специальной системы воздушного охлаждения лещади снизу роль жаростойкого массива как термоизолятора несущей плиты, осуществляемой из обычного железобетона, упрощается, так как температурный нагрев массива при этом значительно сокращается.

Однако замена в этом случае жаростойкого бетона массива обычным недопустима, так как из-за постепенного (с разгаром лещади) снижения эффективности отбора тепла, а также вследствие случайного расстройства системы охлаждения сохраняется возможность нагрева массива до температуры выше допустимой для обычного бетона.

1.2. Высота массива фундамента, выполняемого из жаростойкого бетона, определяется термическим расчетом, исходя из необходимости обеспечения на верхней поверхности несущей железобетонной плиты фундамента температуры не выше 250 °C.

Расчетами установлено, что этому требованию удовлетворяет жаростойкий массив высотой, равной примерно 0,25 его диаметра.

При устройстве воздушного охлаждения лещади высота жаростойкого массива принимается по конструктивным соображениям такой же, но не более 3 м.

Если для требуемого снижения отрывающей силы, возникающей в печи от внутреннего давления, высота массива должна превышать 3 м, то кожух печи необходимо закреплять анкерующими устройствами по типу воздухонагревателей.

Примечание. Если при эксплуатации доменной печи будет установлено непрерывное нарастание температуры в верхней части несущей плиты фундамента с достижением своего предельного значения, работа доменной печи должна быть прекращена.

1.3. Жаростойкий массив выполняют круглой формы, диаметром, соответствующим размерам горна печи, и заключают в стальную обойму. В качестве обоймы используют кожух печи, удлиняемый до верха несущей плиты.

При наличии донышка и системы воздушного охлаждения лещади снизу устройство обоймы не обязательно.

1.4. Стальная обойма, являющаяся продолжением кожуха доменной печи, должна быть со всех сторон открытой для возможности регулярного осмотра ее и своевременного ремонта, а также для возможности охлаждения боковых поверхностей массива.

1.5. Для предотвращения выхода газов из-под кожуха печи в атмосферу снаружи обоймы жаростойкого массива устанавливают с зазором 100 — 150 мм стальное кольцо, вбетонированное в нижнюю железобетонную плиту и выступающее над ней на 300 — 400 мм. Зазор заполняют огнеупорной углеродистой массой (набойка).

Для печей с воздушным охлаждением лещади предотвращение выхода газов обеспечивается наличием донышка.

1.6. Для печей без воздушного охлаждения лещади между обоймой и жаростойким массивом устраивается зазор. Такой зазор обеспечивает свободное развитие температурных деформаций массива за счет сжимаемости (податливости) набойки, исключая непосредственную передачу температурных усилий на кожух печи.

Величина температурных деформаций массива при его нагреве находится в прямой зависимости от содержания в массиве кольцевой арматуры.

Ширину зазора (следовательно, толщину набойки), достаточную для компенсации приращения радиуса массива при нагреве, определяют по приращению радиуса массива :

(где 0,85 — коэффициент условий работы).

Например, при для арматуры класса А-II

Сжимаемость набойки под давлением равна приблизительно 6 — 8%, вследствие чего величина зазора должна быть не менее 75 — 90 мм. С некоторым запасом величину зазора принимают равной 100 мм.

Для печей с воздушным охлаждением лещади устройство зазора не обязательно.

1.7. Жаростойкий массив и несущая железобетонная плита фундамента находятся в разных условиях температурного режима.

Во избежание повреждения несущей плиты фундамента при деформациях жаростойкого массива между ними оставляют температурный шов, заполняемый специальным огнеупорным материалом.

Для этой цели применяют жестко-пластичный раствор из кварцевого чистого песка и белой огнеупорной глины (каолин) или графитовую пыль, насыпаемую слоем толщиной 10 мм по тщательно затертой поверхности железобетона несущей плиты фундамента.

1.8. Нижняя несущая плита фундамента имеет в плане ступенчатую форму восьмиугольника с консольным развитием подошвы основания.

Размеры плиты и ее армирование определяются статическим и термическим расчетами в соответствии с указаниями настоящей Инструкции.

1.9. Кольцевую арматуру, устанавливаемую у боковой поверхности жаростойкого массива, проектируют в целях уменьшения раскрытия трещин в бетоне из нескольких концентрически расположенных сеток (Приложение 1, рис. 9).

Для кольцевой арматуры применяют горячекатаную сталь периодического профиля диаметром 25 — 32 мм класса А-II, а вертикальные стержни сеток готовят из такой же арматуры класса А-II или из круглой арматуры класса А-I диаметром 16 — 20 мм.

Расстояние между вертикальными и горизонтальными стержнями сеток принимают равным 75 — 200 мм, расстояние между сетками в свету — 100 — 150 мм.

Стыки арматуры выполняют сварными.

Допускается применение в качестве арматуры полосовой стали площадью сечения не более 15 см2.

Кольцевую арматуру монтируют при помощи кондукторов из уголков, устанавливаемых на нижнюю несущую плиту фундамента.

1.10. Армирование плиты, определяемое расчетом на действие внешних нагрузок и реактивного давления грунта, осуществляют в виде плоских сварных сеток, устанавливаемых у подошвы плиты в несколько ярусов по площади основания (основная арматура) и у боковых граней (тангенциальная арматура) (Приложение 1, рис. 10).

Для арматуры сеток применяют горячекатаную сталь периодического профиля диаметром 32 — 45 мм.

Расстояние между стержнями сеток принимают равным 150 — 200 мм, расстояние между сетками в свету — 150 — 200 мм.

Стыки арматуры выполняют сварными.

Армирование плиты, определяемое расчетом на температурные воздействия, осуществляют в виде кольцевых сварных сеток из арматуры класса А-II, устанавливаемых вертикально в пределах всей высоты плиты.

Указания по кольцевой арматуре аналогичны указаниям п. 1.9. Следует также руководствоваться п. 2.3 и рис. 9 Приложения 1.

У верхней поверхности фундамента ставится конструктивная арматура классов А-II или А-III. Площадь сечения конструктивной арматуры должна составлять 0,05 — 0,08% площади сечения плиты фундамента. Шаг арматуры не должен превышать 400 мм.

1.11. Горизонтальные усилия, передаваемые на плиту фундамента от стальных колонн печи в местах их непосредственного опирания, воспринимаются кольцевой арматурой, устанавливаемой в пределах верхнего уступа плиты.

Эта арматура совмещается с кольцевой арматурой, работающей на температурный перепад по радиусу плиты.

Для увеличения сопротивления бетона местному давлению под башмаками колонн в местах их расположения устанавливают два горизонтальных ряда сеток конструктивной арматуры.

1.12. Конструктивные элементы рабочей площадки печи частично опираются на несущую железобетонную плиту фундамента (при непросадочных плотных грунтах).

Конструктивные решения площадки должны обеспечивать свободный доступ к кожуху печи.

1.13. Для контроля температуры закладываются трубки, в которых размещаются термопары.

Трубки закладываются при отсутствии системы воздушного охлаждения лещади у верхней грани несущей плиты фундамента.

При наличии воздушного охлаждения — в нижней части лещади.

Наблюдение за температурой производят согласно «Требованиям по наблюдению за температурой фундаментов доменных печей» (см. Приложение 5).

2. ПРИНЦИПЫ РАСЧЕТА

2.1. Расчет температурных усилий, возникающих в жаростойком массиве и несущей плите фундамента в результате неравномерного распределения температуры в радиальном направлении, производится по методу проф. В.И. Мурашева [3, 4] исходя из следующих положений:

а) массив и плиту фундамента делят по высоте на три отдельных диска, из которых на температурный перепад по радиусу рассчитывается только верхний диск массива и плиты;

б) изменение температурных деформаций массива (плиты) в различных точках их радиуса принимается по линейному закону (рис. 1), где — коэффициент суммарной температурной деформации бетона с учетом температурной усадки , принимаемый по табл. 1; t — температура в °C;

в) величину усилий в кольцевой арматуре находят в зависимости от жесткости массива (плиты) и определяют с учетом пластических деформаций бетона сжатой зоны, а также работы растянутого бетона, расположенного между трещинами;

г) массив и плита фундамента при работе на неравномерный нагрев являются статически неопределимыми конструкциями.

Читайте также:  Как выбрать сайдинг для фундамента

Рис. 1. Расчетная схема распределения

свободных температурных деформаций по радиусу

и высоте массива (плиты) фундамента

Количество кольцевой арматуры определяют методом последовательных приближений.

2.2. Расчет жаростойкого массива и несущей плиты фундамента на температурный перепад в радиальном направлении производят из условия ограничения раскрытия трещин. При этом необходимо обеспечить выполнение условия

где — изгибающий момент, возникающий в сечении от неравномерного нагрева;

M — изгибающий момент, который может быть воспринят сечением при достижении арматурой расчетного сопротивления .

Величину изгибающего момента M определяют по формуле

где — площадь кольцевой арматуры

здесь b — высота диска, в пределах которой размещается арматура ; принимается равной 100 см;

— расстояние от центра массива или верхнего уступа несущей плиты до центра тяжести кольцевой арматуры:

здесь — радиус массива или верхнего уступа несущей плиты фундамента;

a — расстояние от наружной поверхности массива или верхнего уступа плиты до центра тяжести кольцевой арматуры;

— расчетное сопротивление растянутой арматуры при нормальной температуре; принимается по табл. 4 главы СНиП II-В.1-62* (Приложение 4);

— относительная высота сжатой зоны сечения, определяемая по формуле:

— модуль упругости арматурной стали; принимается по табл. 32 главы СНиП II-В.1-62* (Приложение 4);

— начальный модуль упругости бетона; определяется по табл. 31 главы СНиП II-В.1-62* или по табл. 4 главы СНиП II-В.7-67 в зависимости от вида бетона (Приложение 4);

— коэффициент, учитывающий снижение модуля упругости бетона при нагреве; принимается по табл. 1 в зависимости от средней температуры сжатой зоны;

— нормативное сопротивление бетона сжатию при изгибе; определяется по табл. 29 СНиП II-В.1-62* (Приложение 4);

— коэффициент, учитывающий снижение сопротивления бетона сжатию при изгибе; принимается по табл. 1 в зависимости от средней температуры сжатой зоны;

— коэффициент условий работы, учитывающий возможность повышения напряжения в арматуре при отклонении действительного распределения температуры от расчетного в случае нарушения нормальных условий работы печи, а также при повторном нагреве; значение принимается равным 0,85.

Для удобства пользования в расчетах формулой (3) при определении относительной высоты сжатой зоны сечения произведены преобразования с введением некоторых условных обозначений.

В результате формула (3) приобретает вид:

Величину изгибающего момента определяют по формуле

где — коэффициент, учитывающий неравномерность распределения деформаций у крайнего волокна сжатой зоны на участке между трещинами, принимаемый равным 0,9;

— свободная температурная кривизна диска, определяемая по формуле

здесь — расчетный температурный перепад от центра диска до кольцевой арматуры, принимаемый равным:

а) при отсутствии воздушного охлаждения низа лещади:

для жаростойкого массива;

для несущей плиты;

б) при наличии воздушного охлаждения:

для жаростойкого массива.

Жаростойкий массив фундамента печи при разгаре лещади может подвергаться нагреву до 1100 — 1200 °C. Однако в связи со снижением жесткости массива за счет образования трещин в растянутой зоне и развития значительных усадочных и пластических деформаций в бетоне сжатой зоны максимальные значения температурных усилий развиваются при более низкой температуре. Согласно п. 4.3 главы СНиП II-В.7-67 для статически неопределимых конструкций, выполненных из жаростойкого бетона на портландцементе, температура, при которой температурные усилия достигают наибольшего значения, принята равной 500 °C. При наличии воздушного охлаждения низа лещади расчет кольцевой арматуры несущей плиты не производится, она устанавливается конструктивно при ;

— коэффициент суммарной температурной деформации бетона; принимается по табл. 1 в зависимости от величины . Для несущей плиты из обычного бетона коэффициент принимается равным ;

— коэффициент, учитывающий работу растянутого бетона между трещинами; определяется по формуле

здесь S — коэффициент, характеризующий профиль арматуры; принимается равным: для стержней периодического профиля S = 1,1, для стержней гладкого профиля S = 1;

— момент, воспринимаемый бетонным сечением без учета арматуры растянутой зоны непосредственно перед появлением трещин, относительно оси, нормальной к плоскости изгиба и проходящей через точку приложения равнодействующей усилий в сжатой зоне сечения; определяется по формуле

Значения коэффициентов , , и

Номер состава ? Коэффициент ? Значение коэффициента при температуре

бетона ? ? нагрева в °C

? ? 100 ? 200 ? 300 ? 500

1, 2 ? гамма ? 0,85 ? 0,7 ? 0,5 ? —

? бета ? 0,8 ? 0,7 ? 0,4 ? —

? альфа ? 2,5 ? 11 ? 11 ? —

11 ? гамма ? 1 ? 1 ? 0,9 ? 0,65

? бета ? 1 ? 0,9 ? 0,75 ? 0,5

? альфа ? 9 ? 8 ? 7 ? 5,5

Примечания. 1. Значения коэффициентов и равны числовым значениям, умноженным на .

2. Значения коэффициентов и определяют по табл. 1: при — для температуры, равной , при и 250° — для температуры, равной .

здесь — нормативное сопротивление бетона растяжению; принимается по табл. 29 главы СНиП II-В.1-62* (Приложение 4);

— коэффициент, учитывающий снижение сопротивления бетона растяжению при нагревании; принимается равным 0,75;

Значение должно приниматься не более 1.

2.3. В соответствии с принятым линейным характером распределения температурных деформаций в массиве (см. рис. 1) и плите фундамента найденные для верхнего диска сечения кольцевой арматуры для нижележащих дисков принимаются в следующих размерах.

а) При температурном перепаде .

Учитывая возможность нагрева верхней поверхности массива до t = 1000 — 1200 °C при разделении массива по высоте на три диска, его средний диск будет нагреваться до температуры, превышающей 500 °C, поэтому сечение кольцевой арматуры для него принимается таким же, как и для верхнего диска. Для нижнего диска сечение кольцевой арматуры уменьшается на 30%.

б) При температурных перепадах и 250°.

Найденные для верхнего диска сечения кольцевой арматуры при разделении массива на три диска уменьшаются для среднего на 20% и для нижнего на 50%. Для нижнего диска несущей плиты при сечение кольцевой арматуры

где r — радиус нижнего диска несущей плиты;

— радиус верхнего уступа плиты (верхнего диска);

— площадь кольцевой арматуры на 1 м верхнего диска.

При разделении несущей плиты на горизонтальные диски линии раздела следует совмещать с уступами плиты фундамента (рис. 2).

Рис. 2. Схема разделения несущей

плиты на горизонтальные диски

2.4. Минимальный процент армирования принимается равным 0,15% . Для окончательно принятого армирования сечения проверяется ширина раскрытия трещин в соответствии с п. 2.5 настоящего раздела Инструкции.

Площадь сечения вертикальной арматуры принимают равной примерно 25% площади сечения кольцевой арматуры.

2.5. Ширина раскрытия вертикальных трещин от температурных усилий в массиве (плите) определяется по формуле

где — напряжение в арматуре, вызванное нормативным температурным моментом, принимаемым равным 0,9 его расчетного значения :

— расстояние между трещинами; определяется по формуле

При арматуре одного диаметра

здесь — диаметр арматурного стержня;

S — периметр сечения арматуры по номинальному диаметру без учета выступов ребер периодического профиля;

— коэффициент, зависящий от вида растянутой арматуры; принимается равным: для стержней периодического профиля , для стержней гладкого профиля .

При определении температурного момента принята минимальная жесткость сечения, отвечающая напряжению в арматуре . Поэтому полученное значение является минимальным.

Если это значение температурного момента мало отличается от величины момента M, определяемого по формуле (2), то ширина раскрытия трещин определяется в соответствии с найденным значением .

Если же температурный момент более чем на 10% меньше величины M, то для определения ширины раскрытия трещин с достаточной для практики точностью значение температурного момента

Значение коэффициента , входящего в формулу (11), вычисляется по формуле

Наибольшая допустимая ширина раскрытия трещин равна 0,4 мм.

Для уменьшения ширины раскрытия трещин следует применять по возможности небольшие диаметры арматуры.

2.6. Расчет жаростойкого массива и несущей плиты фундамента на температурный перепад по радиусу по формулам (1) — (10) производят следующим образом:

а) расчет массива и плиты фундамента ведут только для участка верхнего диска высотой 1 м, подвергающегося воздействию температурного перепада , принимаемого в соответствии с п. 2.2;

б) для принятых марки и состава бетона и вида арматуры определяют значения , , , и ;

в) задаются коэффициентом армирования сечения , исходя из опыта проектирования, или его минимальным значением, равным 0,0015;

г) по температуре, равной при и при и 250° определяют значения коэффициентов и ;

д) вычисляют относительную высоту сжатой зоны по формуле (6);

е) определяют величину изгибающего момента M по формуле (2);

ж) определяют значение по формуле (10) и значение по формуле (9);

з) определяют значение , пользуясь формулой (8), при этом значение или принимают в зависимости от ;

и) определяют величину температурного момента по формуле (7);

к) проверяют условие (1).

Если при заданном минимальном армировании сечения условие (1) не удовлетворяется, необходимо увеличить содержание арматуры и при новом значении повторить расчет.

Для принятого армирования сечения проверяется ширина раскрытия трещин в соответствии с п. 2.5. Характер армирования жароупорного массива представлен на рис. 9 Приложения 1.

2.7. В соответствии с требованиями СНиП II-Б.1-62* расчет оснований фундаментов доменных печей, сложенных нескальными грунтами, производится по второму предельному состоянию (по деформациям).

Расчет оснований по деформациям согласно СНиП II-Б.1-62* производится с использованием теории упругости, если среднее давление под плитой фундамента P от внешних нормативных нагрузок не превышает нормативного давления на основание , определяемого формулой

где h — глубина заложения фундамента от природного уровня грунта или от планировки срезкой до его подошвы, в м;

d — диаметр круга, равновеликого по площади многоугольнику, в м;

— средний объемный вес в т/м3 грунта, залегающего от природного уровня грунта до глубины, на одну четверть диаметра превосходящей уровень заложения фундамента ;

— нормативное удельное сцепление грунта для глинистых грунтов или нормативный параметр линейности для песков, залегающих ниже подошвы фундамента в пределах одной четверти его диаметра , в тс/м2;

A, B, D — безразмерные коэффициенты, зависящие от среднего значения нормативного угла внутреннего трения ( в град) грунтов, залегающих ниже подошвы фундамента в пределах ; принимаются по табл. 2;

— собственный вес фундамента (нормативный), в тс;

— вес грунта на обрезах фундамента, в тс;

Примечание. Нормативные давления при условии полного насыщения водой песков мелких принимаются с учетом коэффициента 0,8, а песков пылеватых — 0,6.

Коэффициенты A, B и D для определения нормативного

давления на основание при подошвах фундаментов в виде

многоугольника или круга большого диаметра (d > 15 м)

Нормативные значения угла? Коэффициенты к формуле (15)

2 ? 0,03 ? 1,12 ? 3,56

4 ? 0,06 ? 1,26 ? 3,77

8 ? 0,15 ? 1,6 ? 4,25

Читайте также:  Как построит сложные фундамент

10 ? 0,2 ? 1,8 ? 4,51

12 ? 0,26 ? 2,02 ? 4,81

14 ? 0,32 ? 2,28 ? 5,12

16 ? 0,39 ? 2,56 ? 5,46

18 ? 0,47 ? 2,9 ? 5,84

20 ? 0,57 ? 3,38 ? 6,25

22 ? 0,68 ? 3,71 ? 6,71

24 ? 0,8 ? 4,21 ? 7,2

26 ? 0,94 ? 4,78 ? 7,75

28 ? 1,11 ? 5,45 ? 8,36

32 ? 1,55 ? 7,19 ? 9,8

34 ? 1,79 ? 8,18 ? 10,64

36 ? 2,11 ? 9,43 ? 11,61

38 ? 2,5 ? 10,98 ? 12,78

40 ? 2,93 ? 12,7 ? 13,95

42 ? 3,46 ? 14,86 ? 15,39

44 ? 4,11 ? 17,7 ? 17,04

45 ? 4,49 ? 18,96 ? 17,96

Примечание. Коэффициенты A, B, D для круглых фундаментов приведены в работе [8].

2.8. Нижнюю несущую плиту фундамента рассчитывают на прочность и раскрытие трещин от внешней нагрузки и реактивного давления грунта (статический расчет) и от воздействия температурного перепада по радиусу (термический расчет).

Влияние температурного перепада по высоте плиты учитывается увеличением площади арматуры, определяемой из статического расчета несущей плиты, на 10 — 15%.

В тех случаях, когда для доменной печи предусматривается устройство воздушного охлаждения низа лещади, температурные воздействия на плиту фундамента не учитываются.

2.9. Статический расчет плиты фундамента нужно производить:

а) По теории упругости с подбором сечений по I и III предельному состоянию железобетонных конструкций (несущая способность и раскрытие трещин).

При этом реактивное давление грунта на плиту находится по теории деформации сжимаемого слоя конечной толщины [10].

Цилиндрическая жесткость плиты находится по формуле

с учетом трещин в растянутой зоне бетона и степени выключения его из работы между трещинами, а также с учетом пластических деформаций бетона в сжатой зоне.

В связи с изменением высоты и армирования плиты жесткость ее в разных сечениях имеет различное значение, однако для расчета цилиндрическая жесткость плиты по всей ее площади принимается с некоторым приближением постоянной (усредненной).

Усредненную (цилиндрическую) жесткость плиты определяют по формуле

где — цилиндрическая жесткость отдельных участков (колец и цилиндра) плиты, определяемая по формуле (16), в тс/м2;

— наружный диаметр i-го кольца, в м;

— внутренний диаметр i-го кольца (для цилиндра ), в м;

значения величин , , , d в формулах (16) и (17) оговорены ранее;

— коэффициент Пуассона для железобетона, равный 0,15;

— коэффициент упругости, принимаемый по п. 9.7 СНиП II-В.1-62*.

б) По методу предельного равновесия, предложенному д-ром техн. наук, проф. Гвоздевым А.А. [6].

Предельным состоянием любого сечения плиты является возникновение в результате развития кольцевых и радиальных трещин пластических шарниров (цилиндрических шарниров текучести) с постоянным предельным значением изгибающего момента.

Ниже приведены следующие три возможные схемы образования трещин (рис. 3):

Рис. 3. Варианты схем образования трещин:

а — схематический разрез фундамента: 1 — лещадь;

2 — жаростойкий массив; 3 — несущая плита;

б — первая схема разрушения; в — вторая схема

разрушения; г — третья схема разрушения

1) образование радиальных трещин, идущих от центра плиты к ее периферии (рис. 3, б):

2) образование на границе жаростойкого массива кольцевой трещины, а также радиальных трещин, идущих к периферии плиты (рис. 3, в);

3) образование трещин, аналогичных указанным в п. 2, но в месте изменения высоты плиты (на границе консоли) (рис. 3, г).

Первая схема является частным случаем второй и третьей схем, когда радиус кольцевой трещины обращается в нуль.

Цилиндрическую жесткость плиты определяют по формулам (16) и (17).

Для расчета плиты рекомендуемыми методами необходимо установить ее высоту и площадь, которые определяют предварительным расчетом, исходя из предположения, что эпюра реактивного давления грунта под подошвой плиты является прямолинейной с равномерным распределением давления от внешней нагрузки по всей площади основания. Принятые предварительным расчетом высота плиты, а также высота консоли у ее заделки проверяются на усилия, полученные из окончательного расчета.

2.10. Толщина сжимаемого слоя основания под подошвой фундаментной плиты Z’ в соответствии со СНиП II-Б.1-62* определяется из условия:

где — нормативное природное (бытовое) давление на глубине z’ от подошвы фундамента;

здесь — дополнительное к природному давление в грунте от нормативных вертикальных нагрузок на глубине z’ от подошвы фундамента, в кгс/см2;

P — среднее давление от на уровне подошвы фундамента, в кгс/см2;

— нормативное природное (бытовое) давление на уровне подошвы фундамента, в кгс/см2; ( — объемный вес грунта; — расстояние от природного рельефа или уровня планировки срезкой до подошвы фундамента);

— безразмерный коэффициент, равный .

С достаточной точностью для круглых фундаментных плит большого диаметра (d >= 15 м) толщину сжимаемого слоя основания под подошвой плиты фундамента можно принимать:

для глинистых грунтов и (19)

для песчаных грунтов . (20)

2.11. Модуль деформаций основания определяется путем испытания грунтов штампами. В некоторых случаях допускается определять модуль деформации по табл. 13 СНиП II-Б.1-62* в зависимости от простейших свойств грунтов.

2.12. Статический расчет плиты фундамента по теории упругости выполняется в следующей последовательности:

А. Находится показатель гибкости плиты по формуле

где r — радиус плиты, в м;

H — наибольшая толщина плиты, в м;

— модуль упругости железобетона, в тс/м2;

— коэффициент Пуассона для железобетона, равный 0,15;

— модуль деформаций грунта, в тс/м2;

— коэффициент Пуассона для грунта;

m — коэффициент условий работы основания; под фундаментами круглого очертания в плане с d >= 15 м m = 2.

При 0 15 м m = 2;

— тот же коэффициент при бесконечной толщине сжимаемого слоя грунта, т.е. при (см. Приложение 7).

Реактивное давление под плитой конечной жесткости радиуса r, лежащей на сжимаемом основании толщиной z’ и нагруженной равномерно распределенной нагрузкой интенсивностью (от расчетных внешних нагрузок), определяется по формуле

где — безразмерная величина, определяемая по табл. 13 для точек плиты с приведенным радиусом в зависимости от параметра , который, в свою очередь, находится по табл. 12 в зависимости от показателя гибкости плиты S и отношения .

Значения коэффициентов для определения

\m ? 0,1 ? 0,25 ? 0,5 ? 1 ? 2 ? 3 ? 5 ?

0,5? 1 ? 0,96 ? 0,88 ? 0,68 ? 0,45 ? 0,38 ? 0,35 ? 0,35

1 ? 1 ? 0,97 ? 0,89 ? 0,71 ? 0,54 ? 0,49 ? 0,48 ? 0,47

2 ? 1 ? 0,98 ? 0,92 ? 0,77 ? 0,65 ? 0,61 ? 0,6 ? 0,6

3 ? 1 ? 0,98 ? 0,93 ? 0,81 ? 0,71 ? 0,69 ? 0,68 ? 0,67

5 ? 1 ? 0,99 ? 0,95 ? 0,86 ? 0,79 ? 0,78 ? 0,77 ? 0,77

10 ? 1 ? 0,99 ? 0,97 ? 0,92 ? 0,88 ? 0,87 ? 0,87 ? 0,87

Значения коэффициентов для определения реактивных

давлений от грунта под плитами конечной жесткости

\ k ? 0,1 ? 0,2 ? 0,3 ? 0,4 ? 0,5 ? 0,6 ? 0,7 ? 0,8 ? 0,9

0 ?0,503 ?0,513 ? 0,531 ? 0,556 ? 0,589 ? 0,633 ? 0,69 ? 0,763 ? 0,859

0,1 ?0,506 ?0,516 ? 0,533 ? 0,558 ? 0,591 ? 0,635 ? 0,691 ? 0,763 ? 0,859

0,2 ?0,513 ?0,523 ? 0,54 ? 0,564 ? 0,596 ? 0,639 ? 0,694 ? 0,765 ? 0,86

0,3 ?0,527 ?0,536 ? 0,552 ? 0,575 ? 0,606 ? 0,677 ? 0,7 ? 0,769 ? 0,862

0,4 ?0,548 ?0,557 ? 0,571 ? 0,592 ? 0,621 ? 0,659 ? 0,709 ? 0,774 ? 0,864

0,5 ?0,58 ?0,587 ? 0,6 ? 0,618 ? 0,644 ? 0,678 ? 0,723 ? 0,784 ? 0,868

0,6 ?0,627 ?0,633 ? 0,643 ? 0,658 ? 0,679 ? 0,707 ? 0,745 ? 0,798 ? 0,874

0,7 ?0,701 ?0,705 ? 0,712 ? 0,722 ? 0,736 ? 0,756 ? 0,783 ? 0,824 ? 0,885

0,8 ?0,833 ?0,834 ? 0,836 ? 0,838 ? 0,841 ? 0,847 ? 0,857 ? 0,875 ? 0,91

0,85?0,948 ?0,947 ? 0,944 ? 0,941 ? 0,936 ? 0,932 ? 0,927 ? 0,926 ? 0,936

0,9 ?1,145 ?1,14 ? 1,132 ? 1,12 ? 1,103 ? 1,081 ? 1,054 ? 1,022 ? 0,988

0,95?1,597 ?1,586 ? 1,566 ? 1,537 ? 1,496 ? 1,442 ? 1,369 ? 1,272 ? 1,138

2.15. Статический расчет плиты по методу предельного равновесия выполняется следующим образом. Распределение реактивного давления грунта принимается в соответствии с эпюрой, полученной по теории упругости из расчета плиты, лежащей на сжимаемом основании конечной толщины, по формулам (23) и (28).

Криволинейная эпюра в целях упрощения расчета заменяется эквивалентной ступенчатой эпюрой с различной интенсивностью реактивных давлений в пределах средней и крайних зон. При этом в пределах каждой из двух зон плиты распределение давления грунта принимают равномерным (рис. 4).

Рис. 4. Эпюра реактивных давлений грунта при расчете

фундаментных плит по методу предельного равновесия

Ординаты реактивного давления крайних и средних зон плиты обозначаются соответственно через и (где , в тс/м2) и из условия равновесия плиты определяется ширина каждой зоны:

(d — 2a) — диаметр средней зоны с равномерно распределенным давлением, равным , в м;

d — наружный диаметр несущей плиты, в м.

Длина крайней зоны

В ступенчатой эпюре реактивного давления ордината средней зоны принимается равной давлению, найденному в центре плиты.

В крайних зонах с учетом местных пластических деформаций под краями фундамента (см. СНиП II-Б.1-62*, пп. 5.10 и 5.14) интенсивность реактивного давления принимается равной давлению, полученному в точках плиты, находящихся на расстоянии от центра плиты, но не более по формуле (15).

С образованием пластических шарниров в кольцевом и радиальном сечениях плита фундамента переходит в состояние предельного равновесия под действием внешних сил (активных и реактивных) и внутренних сил — предельных усилий текучести в арматуре.

Расчетные формулы для нахождения усилий в плите при различных схемах ее разрушения определены из условия равновесия внешних и внутренних сил.

Величину предельных моментов (погонных) определяют по следующим формулам.

1. Для разрушения плиты от излома ее посередине — образование радиальных трещин, идущих от центра плиты к ее периферии :

2. Для разрушения плиты по образованной на границе жаростойкого массива кольцевой трещине и идущим от нее к периферии радиальным трещинам :

3. Для разрушения плиты по образованной на границе ее консоли кольцевой трещине и идущим от нее к периферии радиальным трещинам :

Указанные обозначения приняты для конструкции плиты фундамента, представленной на рис. 5.

Рис. 5. Схематический разрез плиты фундамента доменной

печи и схемы при расчете по методу предельного равновесия:

а — схематический разрез плиты фундамента

с нагрузками; б — первая схема разрушения;

в — вторая схема разрушения; г — третья схема разрушения

Через T обозначено усилие текучести в арматуре (радиальной или кольцевой) на единицу длины трещины (кольцевой или радиальной); при этом принято, что ; z — плечо внутренней пары; n — коэффициент перегрузки.

2.16. Определяемую статическим расчетом тангенциальную и радиальную арматуру заменяют для удобства армирования плиты плоскими сварными сетками, располагаемыми в двух взаимно перпендикулярных направлениях (Приложение 1, рис. 10).

На рис. 6 представлена схема разбивки железобетонной плиты на зоны.

Рис. 6. Схема разбивки железобетонной плиты на зоны

Читайте также:  Параметры фундамента для капитального строительства

Совмещая в этом случае рабочее направление арматуры сеток с осями координат, а их начало — с центром плиты фундамента, величины усилий, действующих в направлениях x и y укладки арматуры сеток, для любой точки определяют по следующим формулам.

Возможно армирование по зонам со следующей разбивкой (рис. 7).

Рис. 7. Схема армирования железобетонной плиты фундамента:

1 — арматура I зоны; 2 — арматура II зоны;

3 — арматура III зоны

Пример армирования железобетонной плиты приведен в Приложении 1.

I зона — от наружного края плиты до границы консоли;

II зона — от границы консоли до границы жаростойкого массива;

III зона — от границы жаростойкого массива до центра плиты.

Для восприятия тангенциальных усилий, действующих по периметру плиты фундамента, устанавливают дополнительную арматуру, определяемую по расчету.

2.17. Деформации несущей плиты фундамента под нагрузкой от собственного веса в результате упругой податливости грунтов основания происходят одновременно с возведением плиты, благодаря чему возникающие в ней напряжения от собственного веса незначительны и ими практически можно пренебречь.

Вследствие этого при определении усилий в плите от внешней нагрузки и реактивного давления грунта собственный вес плиты не учитывают.

2.18. Ширина раскрытия вертикальных трещин в несущей плите от усилий, вызванных внешней статической нагрузкой (реактивным давлением грунта), определяется как для изгибаемых железобетонных элементов, в соответствии с указаниями СНиП II-В.1-62*.

Раскрытие трещин должно определяться при площади арматуры, полученной из статического расчета (без учета увеличения ее на 15%), так как данным расчетом не учитывается дополнительное раскрытие трещин, вызываемое температурным перепадом по высоте (см. п. 2.8).

Наибольшая допустимая ширина раскрытия трещин равна 0,3 мм.

2.19. При проектировании фундамента доменной печи должна быть проверена расчетом величина его осадки, для чего необходимо руководствоваться указаниями СНиП II-Б.1-62*.

Средняя осадка фундамента, лежащего на сжимаемом основании толщиной z’, определяется в соответствии с указаниями работы [9] по формуле (37). Этот метод является обобщением приема вычисления осадок, приведенного в СНиП II-Б.1-62*:

где P — среднее давление без вычета бытового под плитой фундамента, в кгс/см2:

— модуль деформации i-го слоя грунта, в кгс/см2;

— безразмерный коэффициент для i-го слоя грунта, который вычислен в зависимости от отношения и приведен в табл. 14;

G — поправочный коэффициент, учитывающий концентрацию напряжений в сжимаемом слое грунта; значения этого коэффициента даны в табл. 15;

m — коэффициент условий работы основания; под фундаментами круглого очертания в плане с диаметром > 15 м m = 2.

для определения осадок фундаментов

— ? 0 ? 0,2 ? 0,4 ? 0,6 ? 0,8 ? 1 ? 1,2 ? 1,4 ? 1,6 ? 1,8

K ? 0 ?0,045 ? 0,09 ?0,135 ?0,179 ?0,233?0,266 ?0,308 ?0,348 ?0,382

Продолжение табл. 14

— ? 2,2 ? 2,4 ? 2,6 ? 2,8 ? 3 ? 3,2 ? 3,4 ? 3,6 ? 3,8 ? 4

K ?0,437 ?0,461 ?0,482 ?0,501 ?0,517 ?0,532?0,546 ?0,558 ?0,568 ?0,579

Значения коэффициентов G для определения осадок фундаментов

Значения коэффициентов V и V’ для определения

осадок фундаментов по формуле (38)

Первые значения коэффициента V относятся к случаю, когда сжимаемый слой грунта лежит на гладкой несжимаемой части основания. Вторые значения V’ даны для случая полного прилипания сжимаемого слоя к несжимаемой части основания.

По-видимому, второй вариант граничных условий ближе к действительной работе основания. Однако первый вариант дает некоторый запас прочности конструкции.

Исходя из величины расчетной осадки фундамента устанавливают глубину его заложения, о чем в проекте должны быть даны соответствующие указания.

Крен фундамента в соответствии с указаниями работы [11] определяется по формуле

где — полная односторонняя вертикальная расчетная нагрузка на основание, в кгс;

— средний модуль деформации, в кгс/см2, грунтов, находящихся в пределах сжимаемой толщи основания z’;

W — параметр, определяемый по табл. 17, в зависимости от отношения ;

e — расстояние от точки приложения нагрузок до центра фундамента, в см.

Значения параметров W для определения крена фундаментов

W ? 0,95 ? 0,57 ? 0,4 ? 0,34 ?1/3 = 0,33

Осадки и крен фундамента, вычисленные по формулам (37) — (39), не должны превышать соответственно 30 см и 0,004 (см. СНиП II-Б.1-62*).

Если вычисленные осадки и крен фундаментов превышают допустимые величины, необходимо устройство свайных оснований. Расчет следует производить как для фундаментов на естественном основании с модулем деформации грунтов, находящихся ниже острия сваи.

3.1. Для выполнения несущей плиты фундамента доменной печи применяют обычный тяжелый бетон марки не ниже 200 на портландцементе марки не ниже 400 с заполнителями, отвечающими требованиям к составам 1 и 2 «Инструкции по технологии приготовления и применению жаростойких бетонов» (СН 156-67). Стройиздат, 1967 (см. также Приложение 4).

3.2. Для жаростойкого массива фундаментов доменных печей применяют жаростойкий бетон марки 300 на портландцементе с шамотной тонкомолотой добавкой и с шамотным (мелким и крупным) заполнителем (состав 11, в указанной в предыдущем пункте Инструкции, а также в Приложении 4).

Марка портландцемента должна быть не ниже 400.

Тонкость помола добавки должна быть такой, чтобы через сито N 009 (4900 отв./см2) проходило не менее 70% материала.

В качестве мелкого и крупного шамотных заполнителей (песок и щебень) используют бой шамотных изделий, обладающих прочностью не ниже 150 кгс/см2, из которого должны быть удалены посторонние примеси, ошлакованные и остеклованные части.

Примерный состав жаростойкого бетона

и расход материалов в кг на 1 м3

тонкомолотый шамот . 120

шамотный песок . 650

При подборе состава жаростойкого бетона, его приготовлении и укладке руководствуются «Инструкцией по технологии приготовления и применению жаростойких бетонов» (СН 156-67). Стройиздат, 1967 (а также Приложением 4).

3.3. Для набоек в фундаментах доменных печей применяют огнеупорную углеродистую массу по ЧМТУ 3596-53 «Масса углеродистая».

3.4. Для горизонтального шва между несущей железобетонной плитой фундамента и жаростойким массивом применяют жестко-пластичный раствор следующего состава (по объему): кварцевый чистый песок крупностью до 2 мм — 80 — 85%; огнеупорная глина — 20 — 15%.

3.5. Кольцевую арматуру жаростойкого массива и несущей плиты следует выполнять из арматурной стали класса А-II.

ОБЩИЙ ВИД И ХАРАКТЕР АРМИРОВАНИЯ

ФУНДАМЕНТА ПЕЧИ ОБЪЕМОМ 3200 М3

Рис. 8. Разрез и план фундамента

доменной печи объемом 3200 м3:

1 — несущая железобетонная плита;

2 — массив из жаростойкого бетона

Рис. 9. Характер армирования жаростойкого массива

Рис. 10. Характер армирования несущей плиты

фундамента (не изображена дополнительная

арматура по периметру подошвы плиты,

воспринимающая тангенциальные усилия)

ПРИМЕРЫ РАСЧЕТОВ ЖАРОСТОЙКОГО МАССИВА

И НЕСУЩЕЙ ПЛИТЫ ФУНДАМЕНТА ДОМЕННОЙ ПЕЧИ

НА ТЕМПЕРАТУРНЫЙ ПЕРЕПАД ПО РАДИУСУ

Пример 1. Расчет жаростойкого железобетонного массива фундамента. Воздушное охлаждение лещади снизу не предусмотрено.

Требуется определить площадь кольцевой арматуры на 1 м верхнего диска массива.

Задано: r = 670 см, . Бетон — жаростойкий, марки 300 на портландцементе с шамотными заполнителями, состав 11. Кольцевая арматура из стали класса А-II. Температурный перепад .

Из Приложения 4 определяем:

Коэффициент армирования принимаем равным 0,00425.

Для температуры, равной 0,85: , по табл. 1 определяем значения и : ; .

Относительную высоту сжатой зоны определяем по формуле (6), предварительно вычислив значения коэффициентов Ю, Л и И:

Изгибающий момент M определяем по формуле (2):

Значение определяем по формуле (10) и значение — по формуле (9):

Вычисляем значение , пользуясь формулой (8).

Для этого первоначально определяем по табл. 1 значение коэффициента при t = 500 °C:

Температурный момент определяем по формуле (7):

Проверяем условие по формуле (1):

Определяем ширину раскрытия трещин.

Так как значение отличается от M всего на

определяем в зависимости от :

При арматуре диаметром 28 мм

Расчет дан в соответствии с официальным текстом документа.

Пример 2. Расчет несущей плиты фундамента.

Воздушное охлаждение лещади снизу не предусмотрено.

Требуется определить площадь кольцевой арматуры на 1 м верхнего диска плиты.

Задано: Радиус вписанной в многоугольник верхней части плиты окружности r = 917 см, .

Бетон обычный марки 200; кольцевая арматура из стали класса А-II.

Из Приложения 4 определяем:

Значение коэффициента армирования принимаем равным 0,004.

Для температуры, равной 0,9, , по табл. 1 определяем значения , : ; .

Относительную высоту сжатой зоны определяем по формуле (6), предварительно вычислив значения коэффициентов Ю, Л и И:

Изгибающий момент M определяется по формуле (2):

Значение определяем по формуле (10) и значение — по формуле (9):

Значение вычисляем, пользуясь формулой (8). Для этого первоначально по табл. 1 определяем значение коэффициента :

Температурный момент определяем по формуле (7):

Проверяем условие по формуле (1):

Для проверки ширины раскрытия трещин по формуле (12) определяем значения и по формулам соответственно (13) и (9).

При этом, поскольку почти равно M, значение определяем в зависимости от :

ПРИМЕР РАСЧЕТА НЕСУЩЕЙ ПЛИТЫ ФУНДАМЕНТА ПОД ДОМЕННУЮ ПЕЧЬ

I. Исходные данные

1. Геометрические размеры фундаментной плиты и расположение нагрузок даны на рис. 11.

Рис. 11. Схема фундамента доменной печи

2. Нагрузки, действующие на фундаментную плиту, приведены в таблицах.

Обозначение? Состав и наименование ?Норматив-?Коэффи-?Расчетная нагрузка

нагрузки ? нагрузок ?ная ?циент .

? ?нагрузка,?пере- ?суммар- ?распреде-

? ?в тс ?грузки ?ная, в тс?ленная,

q ? Материалы и шихта ? 18610 ? 1,2 ? 22332 ? —

0 ? Вес кожуха ? 1800 ? 1,1 ? 1980 ? —

? Вес жаростойкого бетона ? 938 ? 1,2 ? 1126 ? —

?Итого, через лещадь ? 21348 ? ? 25438 ? 155

q ? Эксплуатационная нагруз-? 987 ? 1,2 ? 1184 ? 3

э ?ка на пол литейного двора? ? ? ?

?и поддоменника в пределах? ? ? ?

N ? Через колонны горна ? 7220 ? 1,15 ? 8300 ? —

r ? Через колонны рабочей ? 950 ? 1,15 ? 1092 ? —

N , N , N ?площадки ? ? ? ?

?Итого P ? 8170 ? ? 9392 ? —

N , N , N ?Через колонны рабочей ? 1116 ? 1,15 ? 1285 ? —

4 5 6 ?площадки. Итого P ? ? ? ?

?Всего ?Сумма N =? ?Сумма N =?

Q ?Собственный вес ? 5906 ? 1,1 ? 6500 ? —

Нагрузка ? N ? N ? N ? N ? N ? N ?N , N ?N , N ?N , N

? 1 ? 2 ? 3 ? 4 ? 5 ? 6 ? r1 r2? r3 r6? r4 r5

Нормативная ? 130 ? 57 ? 144 ? 104 ? 139 ? 211 ? 1305 ? 1087 ? 1217

Расчетная ? 149 ? 67 ? 165 ? 120 ? 159 ? 243 ? 1500 ? 1250 ? 1400

Все нагрузки приняты по заданию на проектирование доменной печи объемом 3200 м3.

3. Расчетные характеристики материалов. Основание фундамента сложено из плотных мелкозернистых песков с включением гравия:

Бетон марки 300:

Арматура класса А-II:

II. Расчет основания несущей плиты фундамента

1. Проверка нормативного давления на основание. Расчет ведем по указаниям п. 2.7 Инструкции :

Здесь и далее имеется в виду настоящая «Инструкция по расчету и проектированию фундаментов доменных печей».

Источник