ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

129337. Москва. Ярославское шоссе, я. 26

ОЦЕНКА МЕТОДОМ ДИНАМИЧЕСКОЙ ФСГГ0У11РУГ0СГЙ ВЛИЯНИЯ РЕЛЬЕФА И ОСОБЕННОСТЕЙ ГЕОЛОГИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ ОСНОВАНИЙ СЕЙСМОСТОЙКИХ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ И РАЗРАБОТКА ЮТОДОВ РАСЧЕТА ИХ КОНСТРУКЦИЙ НА ОСНОВЕ КОЛИЧЕСТВЕННЫХ КРИТЕРИЕВ ПОВРЕЖДЕНИЙ

Часть I

Разработка методики, проведение экспериментов и обобщение результатов исследования методом динамической фотоупругости особенностей геологического строения оснований сейсмостойких сооружений

ОЦЕНКА МЕТОДОМ ДИНАМИЧЕСКОЙ ФОТОУ*1РУГОСТИ ВЛИЯНИЯ РЕЛЬЕФА И ОСОБЕННОСТЕЙ ГЕОЛОГИЧЕСКОГО СТРОЕНИЙ ОСНОВАНИЙ СЕЙСМОСТОЙКИХ ЗДАНИИ И СООРУЖЕНИЙ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ РАСЧЕТА ИХ КОНСТРУКЦИЙ НА ОСНОВЕ КОЛИЧЕСТВЕННЫХ КРИТЕРИЕВ ПОВРЕЖДЕНИЙ

Аннотация

В первой части работы показана возможность использования метода динамической фотоупругости для изучения вопросов, связанных с сейсмическим микрорайонированием площадки строительства. Изложена методика исследований и показано, каким образом получаемые на моделях результаты следует использовать для определения натурных данных.

В качестве примера исследовано напряженное состояние бортов и дна карьера, имеющего однородное и неоднородное строение скального массива.

Показано, как направление сейсмического воздействия и геологическое строение массива влияют на балльность различных участков карьера. На одном и том же участке карьера изменение волнового воздействия вдвое меняет величину ускорения. Неоднородность скального массива в виде разломов и трещин приводит к увеличению ускорений по сравнению с однородным массивом практически на всех участках поверхности, подвергающихся воздействию волн, отраженных от разломов и трещин, и волн, дифрагированных на дополнительных угловых областях.

Во второй части разработаны динамические методы расчета железобетонных констоукций сейсмостойких зданий и сооружений. Проведен анализ сейсмических нагрузок и даны рекомендации по расчетным нагрузкам. Разработаны количественные критерии предельного состояния по несущей способности. На основе анализа рекомендовано применение численных методов, основанных на диаграммах е>-е. арматуры и бетона. Выполнены расчеты системы с одной степенью свободы со скелетной диаграммой сопротивления типа Лрандтля; приведен анализ результатов и изложены рекомендации для СНиП,

Разработана реологическая модель бетона и арматуры для определения динамических диаграмм <2 - £. при мало цикловых колебаниях. Модели подтверждены экспериментально. Приведены результаты сейсмического расчета железобетонной рамы, в элементах которой возникают значительные упруго-пластические деформации.

Использование (2.7) в таком виде не всегда удобно, поэтому в практике эта зависимость используется в виде

и

где €> I - искомое натурное напряжение в исследуемой точке натурной среды; е₀ - напряжение в натуре, выбранное в такой точке натурной среды, где оно может быть определено расчетом _{м и} или получено экспериментально в натуре;

•в_{и f}-Go - напряжения в сходственных точках модели, определяемые методом динамической фотоупругости.

Напряжения, возникающие в модели, в виде картин полос ( гтц-гп.^ ) в методе динамической фотоупругости фиксируется с помощью поляризационно-динамической установки. Комплексная разработка и усовершенствование поляризационно-динамических установок на базе камеры СФР проведены в Московском Государственном строительном университете.

Установка предназначена для регистрации волн напряжений со скоростью до З-Ю^м/с. Камера СФР - высокоскоростная с оптической коммутацией изображения для покадровой съемки дает возможность производить съемку на неподвижную 35-миллиметровую пленку в режиме "лупы времени” (рис.3.3) с частотой

= 25 I0² - 25 кАг¹, а также съемку в режиме фоторегистратора (рис.3.4), продолжительность фиксирования процесса от 100 мкс до 1,4мс при общем числе полученных кадров от 60 до 240. Пульт управления камерой обеспечивает регулирование и измерение с помощью электромагнитного датчика частоты съемки, выдачу импульсоЕ высокого напряжения для инициирования динамической нагрузки модели, а также открытие затвора камеры к моменту вспышки импульсной лампы.

Стандартизированные оптические схемы, соединенные с системой

объективов камеры, позволяют производить съемку моделей в масштабе от 1:15 до 100:1, что дает возможность фиксировать не только картины полос (    но    и    смещения в модели.

Вопросы нагружения моделей - создание в них импульсных нагрузок с помощью микровзрывов или электрозардцным способом, решаются с учетом критериев подобия и масштабов моделирования в зависимости от натурных условий и свойств материалов моделей.

Возбуждение в модели импульса нагрузки, подобного натурному, позволяет создать в модели подобные волновые процессы и зафиксировать их с помощью высокоскоростной съемки при использовании поляризационно-динамической установки.

Полученные картины полос (m_A-rri^) представляют отдельные кадры кинограмм и фотограмм процесса распространения волн напряжений в исследуемой модели и дают возможность определить параметры самого процесса и оценить напряженное состояние модели.

Скорости распространения возникающих в модели продольных сх и поперечных & волн напряжений определяют по скорости съемки и масштабу изображения гл на пленке, для чего в режиме покадровой съемки замеряют по перемещению нулевой полосы л S за интервал времени между кадрами или по соответствующим углам наклона полос о( и ^ к горизонтали е режиме фоторегистратора:

лупа времени    _    _v

д S &

Ма    (2.9)

фоторегистратор    ,    ,    . _ч

С а.» =    (2.10)

где ^    - перемещение полосы с порядком 0;

а - число кадров за интервал времени t ;

- скорость развертки.

Аналогично (2.10) определяют скорости частиц на фотограммах смещений.

В условиях действия импульсных нагрузок порядки полос дают непосредственно разность главных напряжений (в_Л--в^) или максимальные касательные напряжения    внутри    модели или

<£ к:    на    контуре    модели.    Порядки    полос    устанавливают последо

вательным просмотром кинограмм. Эпюры напряжений строят, как правило, безразмерными в виде отношения порядков полос в исследуемых точках гп.^ к порядку полос гтг₀ в наиболее характерной точке модели, для которой в сходственной точке натуры напряжения могут быть определены расчетом или полевыми испытаниями. Такие эпюры т. представляют собой коэффициенты изменения напряжений з . Тогда выражение (2.8) будет иметь вид

пгс'ч    (2.II)

и может использоваться для определения напряжений в натуре в

искомой точке.

о

Значение    может    быть    определено    по    выражений

(2.12)

где - плотность среды;

С - скорость волны.

Для определения ускорений в интересующей точке, используя выражение /5/

(2.13)

получим:

\JL = iZCTT ^ .

Таким образом, имея модельные данные и зная скорости смещений в любой точке строительной площадки, можно судить об

и.

изменении ускорений и соответственно балльности в той или иной ее части.

Приведенная методика является основой для получения и обработки экспериментальных данных при исследовании вопросов, связанных с сейсмическим микрорайонированием.

Как уже отмечалось, направление волнового воздействия и слоистость среды существенно влияет на ее сейсмонапряженное состояние и соответственно на изменение балльности.

На примере изучения сейсмонапряженного состояния карьера, чьи геометрические размеры соизмеримы с длинами сейсмических волн, показана справедливость такого утвервдения, а также возможность и целесообразность использования метода динамической фотоупругости.

3. НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ БОРТОВ И ДНА КАРЬЕРА ПРИ СЕЙСМИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ

Исследовалось напряженное состояние бортов реального карьера, расположенного в зоне повышенной сейсмической активности, балльность е которой достигает 9 баллов.

На рис.3.1 приведены разрезы вдоль и поперек карьера, принятые для исследований. Основные породы, слагающие массив,

о

имеют плотность р =2,6 т/м , скорость распространения продольной волны в этих породах составляют <Я = 3500 м/с.

Породы в зоне разломов, пересекающих карьер, имеют плотность ро =2,4 т/м^ и скорость P-волны в них а₀ = 2000 м/с.

При значительном удалении исследуемого объекта от очага землетрясения и достаточно большой протяженности карьера задачу о сейсмонапряженном состоянии его бортов можно приближенно рассматривать как динамическую задачу теории упругости е условиях плоской деформации.

В такой постановке сейсмонапряженное состояние бортов карьера исследовалось методом динамической фотоупругости на плоских моделях.

На основании общей теории о распространении упругих волн и ранее выполненных в лаборатории экспериментальных исследований задач, аналогичных данной, исследуемую область можно условно разделить на две зоны: верхнюю и нижнюю.

К верхней зоне можно отнести верхнюю часть борта и прилегающую свободную поверхность. Со стороны падения волны ("освещенная" область) динамической напряженно-деформированное состояние верхней части бортов карьера определяется интерференцией падающей волны, еолн, отраженных от бортов и от дневной поверхности, и волн, дифрагированных в точках излома контура.

Рис.3.16. Схематический продольный разрез натурного карьера

В результате в этой зоне образуется весьма сложное волновое поле, вызванное взаимодействием волн различных типов и существенно зависящее от рельефа местности.

Напряженное состояние е верхней части карьера в области геометрической тени полностью определяется дифрагированными волнами.

Особенность нижней зоны, прилегающей к дну карьера, заключается в том, что при падении на карьер сейсмической волны от его дна начинают распространяться дифрагированные волны, которые взаимодействуют с падающей волной и волнами, отраженными от поверхности "освещенного" борта.

В зоне геометрической тени дифракция волн относительно дна карьера включает не только распространение возмущений от угловой точки, быстро затухающих с расстоянием, но также и распространение возмущений, связанных с наличием переходного слоя на границе теневой и "освещенной" областей. Этот слой, согласно принципу Гюйгенса, инициирует дифрагированные волны, распространяющиеся в теневую зону. Затухание этих волн происходит медленнее, чем волн первого типа, и они наблюдаются на значительных расстояниях от угловой точки в зоне геометрической тени.

Такое условное разделение исследуемой области позволяет не только проанализировать волновые процессы, происходящие на карьере, представленном на рис.3.1, но используя некоторые общие закономерности, полученные ранее е лаборатории для каждой зоны, прогнозировать в ряде случаев волновые явления для карьеров, аналогичных исследуемому в данной работе /3/.

Экспериментальные исследования, проведенные на моделях с клиновидным вырезом, позволили определить высоту зоны, в

которой дифрагированные у дна выреза волны оказывают существенное влияние. Высота этой зоны составляет W. = (0,5-0,7)Х_о где Л о - длина фазы сжатия продольной волны /3/.

«Едины сейсмических волн исчисляются километрами. Даже при очень коротко периодном воздействии, например Т = 0,25с и скорости P-волны в среде как в данной работе а. = 3500м, длина фазы сжатия составит Х₀ = 450м, а высота зоны существенного влияния дифрагированных еолн соответственно ъ 230м.

Таким образом, дифракция, возникающая относительно дна карьера, в исследуемом в работе случае будет оказывать существенное влияние на половину высоты борта при формировании его напряженного состояния.

В настоящей работе определялось сейсмонапряжеиное состояние борта и дна в трех разрезах карьера, выбранных для исследований, рис.3.1а,б.

Поперечные разрезы I-I и П-П имеют практически одинаковые углы наклона бортов и глубину, но ширина дна в разрезе П-П в 1,6 раза больше, чем в разрезе I-I. Глубина карьера и наклон Оортов в продольном разрезе Ш-Ш такие же, как в разрезе П-П. Основное отличие состоит в ширине дна, которая в 8 раз превышает ширину дна разреза П-П, и в наличии на дне трапециевидного выступа.

Поперечные разрезы I-I и П-П, как отмечалось выше, имеют трапецеидальную форму и согласно результатам исследований /3/, напряженное состояние бортов в обоих разрезах при одном и том же подходе волнового возмущения, будет одинаковым, а влияние ширины дна скажется лишь на распределении напряжений в нижней части карьера, на глубине h.® 0,5Х_о

В продольном разрезе Ш-Ш напряженное состояние бортов будет таким же как в поперечных разрезах I-I и П-П также в пределах области Н ^ 0,5 Х₀ , но размеры дна и наличие

выступа не позволяют использовать результаты, полученные для разрезов I-I и П-П, для нижней части данного разреза.

В настоящей работе задано, что возмущение распространяется е среде со скоростью Q. = 3500м/с, а для определения длины волны были приняты два периода волнового возмущения

= 0,25с (как наиболее высокочастотное сейсмическое возмущение) и = 0,5с. Вышеизложенные соображения определили выбор моделей, принятых для исследований и приведенных на рис.3.2.

При построении моделей выполнялись условия подобия в виде

(3.1)

где "А₀ - фаза сжатия Р-волны;

\_,₀ - характерный линейный размер, в данных исследованиях за Lo принята глубина карьера;

- любой линейный параметр задачи.

При принятых двух периодах «г* волнового возмущения по-

н    _    ц

лучим, соответственно, X _оЛ = 450м и    ^{=    и    ДЕа}

геометрических масштаба моделей.

Модель I и модель 2 геометрически подобны, что позволяет проанализировать влияние ширины дна карьера и изменения соотношения длины волны и геометрических параметров карьера на его напряженное состояние.

Волновое возмущение е моделях создавалось взрывом микрозаряда азида свинца массой М = 50мг. Для каждой модели рассмотрено несколько случаев положения заряда, рис.3.2, что позволяет оценить напряженное состояние бортов и дна карьера при различном направлении распространения волны.

Расстояние между источником волнового воздействия и исследуемой областью выбиралось из условия создания падающей продольной волны по своему характеру близкий к плоской Р-волне /6/.

Научный руководитель

доктор технических наук профессор

Заведующий сектором кандидат технических наук

Старший научный сотрудник кандидат технических наук

Старший научный сотрудник кандидат технических наук

Механик

Отчет    38 с.,    12 илл., 5 табл., 7 источников

Показана возможность использования метода динамической фотоупругости для изучения вопросов, связанных с сейсмическим микрорайонированием площадки строительства. Изложена методика исследований и показано, каким образом получаемые на моделях результаты следует использовать для определения натурных данных.

В качестве примера исследовано напряженное состояние бортов и дна карьера, имеющего однородное и неоднородное строение скального массива.

Показано, как направление сейсмического воздействия и геологическое строение массива влияют на балльность различных участков карьера. На одном и том же участке карьера изменение волнового воздействия вдвое меняет величину ускорения. Неоднородность скального массива в виде разломов и трещин приводит к увеличению ускорений по сравнению с однородным массивом практически на всех участках поверхности, подвергающихся воздействию волн, отраженных от разломов и трещин, и волн, дифрагированных на дополнительных угловых областях.

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

1.    ВВЕДЕНИЕ. Сейсмическое микрорайонирование площадки

строительства.............................. 3

2.    Методика исследования при сейсмическом микрорайонировании................................................ 4

2.1.    Метод динамической фотоупругости, его особенности и преимущества............................... 4

2.2.    Методика экспериментов.......................... 5

3.    Напряженное состояние бортов и дна карьера при

сейсмическом воздействии.............................12

3.1.    Распределение волновых напряжений вдоль поверхности карьера в случае однородного    массива......23

3.2.    Распределение волновых напряжений вдоль поверхности карьера при наличии    слоев    и    трещин........30

4.    ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................36

Список использованных источников........................38

I. ВВЕДЕНИЕ. СЕЙСМИЧЕСКОЕ МИКРОРАЙОНИРОВАНИЕ ПЛОЩАДКИ СТРОИТЕЛЬСТВА

Сейсмическое районирование территории России дает определение сейсмической интенсивности для отдельных областей и зон.

В пределах зоны одинаковой интенсивности, размеры которой значительны, геологическая и гидрогеологическая характеристики покровных отложений отдельных участков и площадок весьма разнообразны. Поэтому для участка, где проектируется сооружение, проводятся исследования по определению величины поправки к интенсивности, определяемой районированием, т.е. проводится сейсмическое микрорайонирование. Результатом микрорайонирования может явиться увеличение или уменьшение балльности площадки строительства или ее части, изменение балльности участка изменяет затраты на строительство и повышает надежность возводимых объектов. Согласно данным /I/ удорожание строительства при применении антисейсмических мер составляло в среднем для 9-балльных мероприятий 12%, для 8-балльных - 8% и для 7-балльных - 4%.

На сейсмичность участка влияют грунтовые условия, рельеф местности, наличие размывов и пустот и ряд других факторов. Изучение влияния этих факторов на изменение интенсивности сейсмического воздействия на участке производится обычно в натурных условиях с использованием взрывов, а в ряде случаев на моделях ультразвуковым методом.

В настоящей работе для изучения этих явлений наряду с другими методами предлагается использовать метод динамической фотоупругости.

2. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИ МИКРОСЕЙСМОРАЙОНИРОВАНИИ

2.1. Метод динамической фотоупругости, его особенности и преимущества

Сущность поляризационно-оптического метода для изучения динамических задач - метода динамической фотоупругости - составляет фиксирование с помощью высокоскоростной киносъемки быстро-меняющейся во времени картины изолиний разности главных напряжений    ,    возникающей    при    соответствующем    импульсном    воздей

ствии в модели исследуемого сооружения, которое полностью или частично изготовляется из оптически чувствительного материала и просвечивается пучком поляризованного света, а также дальнейшая расшифровка полученных кино- и фотограмм с количественным определением возникающих в модели напряжений.

Важнейшими преимуществами метода является его наглядность с возможностью получения видимой картины динамического напряженного состояния по всему полю плоской «модели или по всему изучаемого сечению пространственной модели при сколь угодно сложной конфигурации этого сечения, а также фиксирование динамического процесса в целом во всех его фазах со строгой привязкой к началу отсчета времени, что позволяет проследить за процессом формирования поля напряжений при взаимодействии волн и расшифровать сложную интерференционную картину при их наложении. Кроме того, поскольку при исследованиях методом динамической фотоупругости обеспечивается измерение напряжений непосредственно в заданной точке, а не на какой-либо базе, как в ряде других экспериментальных методов, метод позволяет оценить динамической напряженное состояние в зонах концентрации и при сложных граничных усло

виях.

где L»₀ - характерный геометрический размер среды или сооружения;

§> - плотность материала среды; а, €    -    соответственно, скорости продольных и поперечных волн;

L. - геометрические параметры задачи;

и. - смещения среды;

£ - напряжения в среде.

Анализ зависимости (2.1) показывает, что выбрав материал модели, т.е. задавшись масштабами Cj> и С_а , можно произвольно выбрать геометрический масштаб    .    Тогда    масштаб    времени

определяется

(2.2)

масштаб напряжений

(2.3)

критерий 0/0 -    ,    входящий    в    (I.I)    накладывает    усло

вие, чтобы масштаб скоростей поперечных и продольных волн был одинаков

(2.4)

Из условия (2.4) следует, что С_^ = I, т.е. коэффициент Пуассона в модели и натуре должен быть одинаков, если среда находится в условиях одинакового напряженного состояния.

Но зачастую трехмерная натурная среда находится в условиях плоской деформации, а при исследованиях ее методом динамической фотоупругости моделируется на плоских моделях, находящихся в условиях плоского напряженного состояния.

Тогда выполнение равенства (2.4) приводит к условию

(2.5)

Согласно критерию    ^LnV * масштаб смещений с^

должен совпадать с геометрическим масштабом моделирования, что трудно осуществить на практике. Поэтому обычно используется расширенное подобие /4/ и вводится масштаб смещения частиц, равный

(2.6)

где    -    масштаб деформаций.

Выражение (2.1) справедливо в случае, когда моделируется однородная упругая среда. В реальных условиях среда зачастую неоднородна, и ее моделирование приводит к появлению дополни-тельных условий подобия. Так, например, в двухслойной среде помимо критерия сх/£>    появляются дополнительные критерии

о~_А /а.£ ;    ;    0~_л    /    _#    где индекс I относится к пер

вому слою, индекс 2 - ко второму.

При вводе условия подобия (2.1) использовались уравнения, в которых описание источника возмущения входит в виде вектора внешних усилий или смещений. Из этого условия следует, что необязательно обеспечивать подобие источников возмущения на границах натуры и модели, достаточно соблюсти подобие импульсов, сформировавшихся в исследуемой среде, что обычно и делается при моделировании таких задач.

Выполнение всех приведенных условий подобия позволяет построить модель, подобную натуре, и создать в этой модели подобное волновое возмущение.

Тогда напряжения, возникшие в модели, пересчитываются на натуру, для чего используется критерий

(2.7)

где    -    напряжения,    заданные    на    границе.