论文部分内容阅读
[摘 要]本文结合工程实例从地基要求、基础设计、施工、隔振措施等方面对大型精密设备基础设计进行分析总结，从而提出设计此类基础的要点。
[关键词]基础设计 混凝土裂缝 隔震措施
中图分类号：TG249.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）24-0118-01
1 引言
大型精密设备由于加工精度要求，一般对基础的要求极高，尤其对基础的变形差（倾角）控制十分严格，该类设备的基础设计具有难度大、工程量大、施工质量要求高等特点。例如某型号龙门镗设备：床身部分地基变形曲线的倾角不得超过0.005mm/m；工作平台部分地基变形曲线的倾角不得超过0.01mm/m。因此，在进行大型设备基础施工图设计时，地基沉降，基础的刚度和稳定性对设备的正常使用十分重要，一旦超过工艺限值范围，将直接影响使用精度甚至损伤设备直至无法工作。本文拟基于某型号龙门镗铣床设备基础设计，从基础沉降控制、设备基础混凝土变形控制以及必要的隔振措施等三个方面探讨大型精密设备基础设计方法。
2 设计方法
为保证设备基础强度、刚度和稳定性，达到设备工艺要求，需重点做好以下三方面的设计：（1） 不产生危害设备运转的地基沉降；（2）基础本身具有足够的刚度和稳定性；（3）必要的隔振措施，避免其他外界环境对其产生振动影响。下面就从这三个方面对大型精密设备基础设计进行探讨，并提出相对应的处理方法，为大型精密设备基础设计提供参考。
2.1 基础沉降控制
虽然龙门铣床基础对地基土承载力要求不大，但是遇到软弱土层或压缩性较大的土层，对于移动荷载作用较大的龙门铣床基础变形就不能满足工艺要求，因此对地基土进行处理是必要的。根据该型号龙门镗铣床设备资料和工艺对土建设计的要求，以及场地岩土勘察报告，经计算比较后采用钻孔灌注桩对地基进行处理。
由于设备荷载分布不均匀，龙门吊运行轨道部分所承受载荷最大，中部荷载高于周边荷载；由于桩土相互作用导致桩群的竖向支承刚度分布为内弱外强、变形发生内大外小、桩土反力内小外大的变化，因此，设计时通过调整基桩的竖向支承刚度分布，使差异沉降减到最小。在荷载较大部位，桩布置密集，在荷载较小部位，桩布置间距疏松。在桩基础沉降的计算方法上，到目前为止国内外所采用的方法一般有两大类：一类是以单桩沉降为基础进而考虑其上设备基础的沉降及变形；另一类是将桩基承台、桩群与桩间土作为实体深基础进行计算。国内有规范可循的为后一种方法，但是实体深基础法只能计算出基础的整体沉降，而不能计算基础的弯曲变形，而高精度设备对基础的弯曲变形却是最敏感的。由于桩基沉降计算理论还不完善，使得计算结果与实际之间不可避免地存在差异（有时差异巨大）。因此桩基沉降理论计算值仅作为参考。因此，对控制基础沉降采取如下措施：1.减小桩顶反力；2.基础施工完毕后对设备基础进行超载预压，即在基础完工后进行预压，预压重力为以后实际加工工件重力的1.5倍～2.0倍，预压时间至少2个月以上，直到沉降基本稳定，待沉降稳定满足工艺要求后方可结束；3.布置数个沉降观测点来定期观测基础沉降。
2.2 基础混凝土裂缝变形控制
大体积混凝土基础可能产生裂缝的主要原因如下：
（1）混凝土硬化收缩产生的裂缝。混凝土浇筑后，在其逐渐散热和硬化过程中自身体积开始收缩，大体积混凝土尤为明显。收缩过程中一旦混凝土受到外界约束就会在体内产生一定程度收缩应力，如果收缩应力超过混凝土极限抗拉强度，就会引发裂缝问题。大体积混凝土中有五分之一水分是水泥硬化所需要的，其余水分理论上应当被完全蒸发掉。可是，事实与预计不可能完全一致，经常发生水分过分蒸发的问题。当蒸发掉的水分超过本应蒸发掉的水分时就会引起混凝土收缩，进而产生裂缝。另外，大体积混凝土通常添加的矿物质掺合物、减水剂、骨料等物质，一定程度也会影响混凝土的自缩值。
（2）水化热引起的裂缝。
理论上，混凝土厚度越大，设备基础的刚度越大，但由于混凝土的体积过大以后，由于水泥用量大、表面系数比较小，水化热过程中释放的大量热量不易扩散，迫使混凝土结构内部温度骤升，以致于与外部环境形成了一定温差。在温差作用下，引发混凝土结构产生不规则伸缩，伸缩到极限时便在结构内部产生应力，迫使混凝土表面出现裂缝。混凝土水化热所产生的热应力对混凝土块体的影响在设备基础中越来越不容忽视，由于热应力处置不当造成的温度裂缝，已对精密设备的运行产生严重影响。
因此，大型精密设备基础设计必须按照裂缝产生原因采取对应措施。本工程设备基础的裂缝变形控制从以下三个方面来控制：（1）设备基础钢筋采用小直径、密间距，变截面处加强布置分布筋；设备基础混凝土强度等级不高于C30，可采用60天强度。（2）材料方面，选用低热硅酸盐水泥或者低热矿渣硅酸盐水泥，科学的选用材料配比，用较低的水灰比、水和水泥用量；严格控制砂石骨料的含泥量。（3）施工方面注意混凝土养护，保持低温度，湿度大，使水泥水化作用充分。并且应严格遵守《大体积混凝土施工规范》（GB50496-2009）[2]规定，保证施工质量。
2.3 隔震措施
当环境振动的影响过大时，就会导致设备加工质量达不到规定要求，长此下去甚至会降低其精度和使用寿命，导致严重的后果。因此，必须采取措施减少环境振动影响，把它控制在容许的范围内。
龙门铣床一般在厂房内工作，在设计时需考虑厂房内吊车或厂房外车辆的振动影响，以及应远离动荷载较大的机床，因此基础的隔振设计及隔振措施是必要的[3]。此类隔振属消极隔振，首先应知道振源的频率、振幅，根据振源和隔振基础的距离来选择合适的隔振材料，根据基础及设备本身自振频率确定隔振材料的厚度，使基础受到的震动影响控制在容许范围内。一般可采取下列措施之一进行隔振：
（1）在基础四周设置隔振沟，隔振沟的深度应与基础深度相同，宽度宜为100mm，隔振沟内宜空或垫海绵、乳胶等材料。
（2）在基础四周粘贴泡沫塑料、聚苯乙烯等隔振材料。
（3）在基础四周设缝与混凝土地面脱开，缝中宜填沥青、麻丝等弹性材料。
（4）精密机床的加工精度要求较高时，根据环境振动条件，可在基础或机床底部另行采取隔振措施。
3 总结
综上所述，从基础沉降控制、设备基础混凝土变形控制以及必要的隔振措施这三个主要方面设计大型精密设备基础，并采取相应得措施，就能很好的满足工艺要求，保证达到生产条件。
参考文献
[1] 中国建筑科学研究院.GB50010-2010混凝土结构设计规范.北京，中国建筑工业出版社，2010.
[2] 中国建筑科学研究院.GB50007-2009大体积混凝土施工规范.北京，中国建筑工业出版社，2009.
[3] 中国建筑科学研究院.JGJ79-2012建筑地基处理技术规范.北京，中国建筑工业出版社，2012.
[4] 中国建筑科学研究院.JGJ94-2008建筑桩基技术规范.北京，中国建筑工业出版社，2008.
[5] 中国建筑科学研究院.GB50007-2011建筑地基基础设计规范.北京，中国建筑工业出版社，2011.
[6] 徐建，建筑振动工程手册，北京，中国建筑工业出版社，2002.
[7] 叶清华，刘一颖，设备基础混凝土温度裂缝引起重型精密固定龙门式镗铣床失精的分析及处理，北京，工程质量，2004.NO.4.
[关键词]基础设计 混凝土裂缝 隔震措施
中图分类号：TG249.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）24-0118-01
1 引言
大型精密设备由于加工精度要求，一般对基础的要求极高，尤其对基础的变形差（倾角）控制十分严格，该类设备的基础设计具有难度大、工程量大、施工质量要求高等特点。例如某型号龙门镗设备：床身部分地基变形曲线的倾角不得超过0.005mm/m；工作平台部分地基变形曲线的倾角不得超过0.01mm/m。因此，在进行大型设备基础施工图设计时，地基沉降，基础的刚度和稳定性对设备的正常使用十分重要，一旦超过工艺限值范围，将直接影响使用精度甚至损伤设备直至无法工作。本文拟基于某型号龙门镗铣床设备基础设计，从基础沉降控制、设备基础混凝土变形控制以及必要的隔振措施等三个方面探讨大型精密设备基础设计方法。
2 设计方法
为保证设备基础强度、刚度和稳定性，达到设备工艺要求，需重点做好以下三方面的设计：（1） 不产生危害设备运转的地基沉降；（2）基础本身具有足够的刚度和稳定性；（3）必要的隔振措施，避免其他外界环境对其产生振动影响。下面就从这三个方面对大型精密设备基础设计进行探讨，并提出相对应的处理方法，为大型精密设备基础设计提供参考。
2.1 基础沉降控制
虽然龙门铣床基础对地基土承载力要求不大，但是遇到软弱土层或压缩性较大的土层，对于移动荷载作用较大的龙门铣床基础变形就不能满足工艺要求，因此对地基土进行处理是必要的。根据该型号龙门镗铣床设备资料和工艺对土建设计的要求，以及场地岩土勘察报告，经计算比较后采用钻孔灌注桩对地基进行处理。
由于设备荷载分布不均匀，龙门吊运行轨道部分所承受载荷最大，中部荷载高于周边荷载；由于桩土相互作用导致桩群的竖向支承刚度分布为内弱外强、变形发生内大外小、桩土反力内小外大的变化，因此，设计时通过调整基桩的竖向支承刚度分布，使差异沉降减到最小。在荷载较大部位，桩布置密集，在荷载较小部位，桩布置间距疏松。在桩基础沉降的计算方法上，到目前为止国内外所采用的方法一般有两大类：一类是以单桩沉降为基础进而考虑其上设备基础的沉降及变形；另一类是将桩基承台、桩群与桩间土作为实体深基础进行计算。国内有规范可循的为后一种方法，但是实体深基础法只能计算出基础的整体沉降，而不能计算基础的弯曲变形，而高精度设备对基础的弯曲变形却是最敏感的。由于桩基沉降计算理论还不完善，使得计算结果与实际之间不可避免地存在差异（有时差异巨大）。因此桩基沉降理论计算值仅作为参考。因此，对控制基础沉降采取如下措施：1.减小桩顶反力；2.基础施工完毕后对设备基础进行超载预压，即在基础完工后进行预压，预压重力为以后实际加工工件重力的1.5倍～2.0倍，预压时间至少2个月以上，直到沉降基本稳定，待沉降稳定满足工艺要求后方可结束；3.布置数个沉降观测点来定期观测基础沉降。
2.2 基础混凝土裂缝变形控制
大体积混凝土基础可能产生裂缝的主要原因如下：
（1）混凝土硬化收缩产生的裂缝。混凝土浇筑后，在其逐渐散热和硬化过程中自身体积开始收缩，大体积混凝土尤为明显。收缩过程中一旦混凝土受到外界约束就会在体内产生一定程度收缩应力，如果收缩应力超过混凝土极限抗拉强度，就会引发裂缝问题。大体积混凝土中有五分之一水分是水泥硬化所需要的，其余水分理论上应当被完全蒸发掉。可是，事实与预计不可能完全一致，经常发生水分过分蒸发的问题。当蒸发掉的水分超过本应蒸发掉的水分时就会引起混凝土收缩，进而产生裂缝。另外，大体积混凝土通常添加的矿物质掺合物、减水剂、骨料等物质，一定程度也会影响混凝土的自缩值。
（2）水化热引起的裂缝。
理论上，混凝土厚度越大，设备基础的刚度越大，但由于混凝土的体积过大以后，由于水泥用量大、表面系数比较小，水化热过程中释放的大量热量不易扩散，迫使混凝土结构内部温度骤升，以致于与外部环境形成了一定温差。在温差作用下，引发混凝土结构产生不规则伸缩，伸缩到极限时便在结构内部产生应力，迫使混凝土表面出现裂缝。混凝土水化热所产生的热应力对混凝土块体的影响在设备基础中越来越不容忽视，由于热应力处置不当造成的温度裂缝，已对精密设备的运行产生严重影响。
因此，大型精密设备基础设计必须按照裂缝产生原因采取对应措施。本工程设备基础的裂缝变形控制从以下三个方面来控制：（1）设备基础钢筋采用小直径、密间距，变截面处加强布置分布筋；设备基础混凝土强度等级不高于C30，可采用60天强度。（2）材料方面，选用低热硅酸盐水泥或者低热矿渣硅酸盐水泥，科学的选用材料配比，用较低的水灰比、水和水泥用量；严格控制砂石骨料的含泥量。（3）施工方面注意混凝土养护，保持低温度，湿度大，使水泥水化作用充分。并且应严格遵守《大体积混凝土施工规范》（GB50496-2009）[2]规定，保证施工质量。
2.3 隔震措施
当环境振动的影响过大时，就会导致设备加工质量达不到规定要求，长此下去甚至会降低其精度和使用寿命，导致严重的后果。因此，必须采取措施减少环境振动影响，把它控制在容许的范围内。
龙门铣床一般在厂房内工作，在设计时需考虑厂房内吊车或厂房外车辆的振动影响，以及应远离动荷载较大的机床，因此基础的隔振设计及隔振措施是必要的[3]。此类隔振属消极隔振，首先应知道振源的频率、振幅，根据振源和隔振基础的距离来选择合适的隔振材料，根据基础及设备本身自振频率确定隔振材料的厚度，使基础受到的震动影响控制在容许范围内。一般可采取下列措施之一进行隔振：
（1）在基础四周设置隔振沟，隔振沟的深度应与基础深度相同，宽度宜为100mm，隔振沟内宜空或垫海绵、乳胶等材料。
（2）在基础四周粘贴泡沫塑料、聚苯乙烯等隔振材料。
（3）在基础四周设缝与混凝土地面脱开，缝中宜填沥青、麻丝等弹性材料。
（4）精密机床的加工精度要求较高时，根据环境振动条件，可在基础或机床底部另行采取隔振措施。
3 总结
综上所述，从基础沉降控制、设备基础混凝土变形控制以及必要的隔振措施这三个主要方面设计大型精密设备基础，并采取相应得措施，就能很好的满足工艺要求，保证达到生产条件。
参考文献
[1] 中国建筑科学研究院.GB50010-2010混凝土结构设计规范.北京，中国建筑工业出版社，2010.
[2] 中国建筑科学研究院.GB50007-2009大体积混凝土施工规范.北京，中国建筑工业出版社，2009.
[3] 中国建筑科学研究院.JGJ79-2012建筑地基处理技术规范.北京，中国建筑工业出版社，2012.
[4] 中国建筑科学研究院.JGJ94-2008建筑桩基技术规范.北京，中国建筑工业出版社，2008.
[5] 中国建筑科学研究院.GB50007-2011建筑地基基础设计规范.北京，中国建筑工业出版社，2011.
[6] 徐建，建筑振动工程手册，北京，中国建筑工业出版社，2002.
[7] 叶清华，刘一颖，设备基础混凝土温度裂缝引起重型精密固定龙门式镗铣床失精的分析及处理，北京，工程质量，2004.NO.4.