對機(jī)床基礎(chǔ)厚度估算和變形計(jì)算的研究分析

高 煥

（四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，德陽 618000）

0 引言

金屬切削機(jī)床基礎(chǔ)是埋在地下的構(gòu)筑物，其任務(wù)就是保證基礎(chǔ)的內(nèi)力與變形能夠滿足機(jī)床正常工作使用。 機(jī)床基礎(chǔ)內(nèi)力與變形的計(jì)算屬結(jié)構(gòu)力學(xué)超靜定問題，在計(jì)算之前，必須先要選擇基礎(chǔ)材料，假定基礎(chǔ)厚度，才能進(jìn)行計(jì)算。 其計(jì)算結(jié)果，如果能夠滿足機(jī)床的使用要求，才可以進(jìn)行基礎(chǔ)的斷面設(shè)計(jì)，繪制基礎(chǔ)施工詳圖，完成設(shè)計(jì)工作。如果，計(jì)算結(jié)果不能滿足強(qiáng)度和變形要求，則要重新假定基礎(chǔ)厚度，再次進(jìn)行計(jì)算，以加長設(shè)計(jì)時間。

機(jī)床基礎(chǔ)厚度的假定問題，前蘇聯(lián)《動力機(jī)械基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范》（CH18-58）中提供的公式，經(jīng)過使用證明，與實(shí)際需要，相差較大。 我國《動力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GBJ40-79）與（GB 50040-96）中提供的厚度公式，使用方便，且，計(jì)算結(jié)果與需要較為接近、。 但是，由于該規(guī)范中的公式，只和基礎(chǔ)類型與機(jī)床外形長度有關(guān)，在使用中有一定的局限性。本文在現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范實(shí)測資料數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)溫克爾假定，重新推導(dǎo)出各種類型機(jī)床基礎(chǔ)，新的厚度估算公式，并結(jié)合實(shí)例，對因厚度假設(shè)不足，基礎(chǔ)變形過大，提出了簡單的調(diào)整參數(shù)的方法。

1 金屬切削機(jī)床基礎(chǔ)厚度估算公式

用溫克爾假定計(jì)算地基梁的方程中，都是以地基梁的柔度指標(biāo)為自變量，計(jì)算地基梁的反力與內(nèi)力。 地基梁的柔度指標(biāo)是梁的剛度與地基剛度作用的綜合反映，在地基梁的計(jì)算中，起著重要的角色。本文就是根據(jù)這個思路，以柔度指標(biāo)為基礎(chǔ)，推到出厚度估算公式。

1.1 地基梁柔度指標(biāo)

用溫克爾假定計(jì)算地基梁時，其柔度指標(biāo)為：

式中：

1.2 地基梁的厚度

根據(jù)公式（1），地基梁的厚度通式：

1.3 地基梁的計(jì)算類型

根據(jù)文件看出，地基梁的反力、內(nèi)力與變形的分布和大小，是和梁的計(jì)算類型、相關(guān)，是有一定規(guī)律的。梁的計(jì)算類型是由梁的柔度指標(biāo)決定的。梁的計(jì)算類型，按柔度指標(biāo)分為：

1.3.1 當(dāng)梁的長度符合

1.3.2 各類機(jī)床基礎(chǔ)的柔度指標(biāo)通式

機(jī)床基礎(chǔ)的柔度指標(biāo)是由基礎(chǔ)梁的剛度和地基剛度決定的。機(jī)床基礎(chǔ)的剛度由基礎(chǔ)的厚度計(jì)算的。各類機(jī)床基礎(chǔ)的厚度和機(jī)床的工作特性相關(guān)的，文件、 提供的基礎(chǔ)厚度估算公式，是在調(diào)查 1827臺機(jī)床基礎(chǔ)的基礎(chǔ)上歸納出的。應(yīng)該說，按此公式估算的基礎(chǔ)厚度，是可以滿足機(jī)床工作的。 故，本文擬以此為據(jù)，先推導(dǎo)出各類機(jī)床基礎(chǔ)需要的柔度指標(biāo)，再進(jìn)一步，根據(jù)需要的柔度指標(biāo)，推導(dǎo)出基礎(chǔ)的厚度估算公式。

文件中提供的基礎(chǔ)厚度公式，是按照地基機(jī)床系數(shù)K= 1 *104knm3,和混凝土標(biāo)號150號定的，因此，各類機(jī)床基礎(chǔ)需要的柔度指標(biāo)通式為：

(αL)JR-是-按照文件中基礎(chǔ)厚度計(jì)算出的，是各類機(jī)床基礎(chǔ)需要的柔度指標(biāo)，；hWJ--是文件中各類機(jī)床基礎(chǔ)的厚度。

2 有關(guān)地基梁變形計(jì)算問題的研究分析

2.1 地基梁變形計(jì)算公式

用溫克爾假定計(jì)算梁的變形公式按文件為：

式中：Yi-地基梁上任一點(diǎn)之變形（m）(;PF)-地基梁上任一點(diǎn)之反力(KNm) ;K=地基梁的基床系數(shù)KNm3 。

2.2 調(diào)整計(jì)算變形不滿足的方法研究

2.2.1 一次到位法

從文件中地基梁內(nèi)力計(jì)算表看出，只要地基梁的柔度指標(biāo)不變，地基梁的反力、內(nèi)力也不變。為此，當(dāng)假設(shè)的基礎(chǔ)厚度計(jì)算結(jié)果不滿足要求時，就必須重新調(diào)整地基梁的有關(guān)參數(shù)。由公式（4）知，既然反力不變，將K值一次調(diào)整到位就可了。但是，從地基梁的柔度指標(biāo)通式（1）及厚度通式（2）知，必須對K值與基礎(chǔ)厚度同時調(diào)整，才能達(dá)到柔度指標(biāo)值不變。

2.2.2 逐步逼近法

如果計(jì)算結(jié)果不滿足要求，可按公式（4）的內(nèi)容，只調(diào)整K值，代入柔度指標(biāo)公式，求出新的柔度指標(biāo)，再按文件的內(nèi)力表，求新反力，按公式（4）求新變形。如果再不滿足要求，必須再按照這個做法，重新調(diào)整，直至達(dá)到要求為止。

2.2.3 具體調(diào)整作法，見下面的例題。

例：某落地塘床基礎(chǔ)平面9.5m寬*19.0m長，已知，地基基床系數(shù)K= 1 *104knm3，試估算基礎(chǔ)假設(shè)厚度，并按計(jì)算簡圖1 的標(biāo)準(zhǔn)荷載，計(jì)算基礎(chǔ)的變形差。已知，機(jī)床加工精度要求。

3 基礎(chǔ)反力與變形差

3.1 因上面假設(shè)的基礎(chǔ)厚度不滿足要求，調(diào)整如下：

3.1.1 方法一：用 一次到位法

按公式（4），

再將hTJ代入柔度指標(biāo)公式，得新的柔度指標(biāo)為1.82，和第一次的數(shù)字同，因此，反力大小不變。得到的變形，就可以滿足要求。

3.1.2 方法二：用逐步逼近法

如果仍然使用原假設(shè)的基礎(chǔ)厚度2.4m ，將新的K= 5.585*104knm3代入，則，新的柔度指標(biāo)變?yōu)椋河眯碌娜岫戎笜?biāo)再查表，得新的基礎(chǔ)變形差為：沒有滿足要求。應(yīng)該仍按照上面的步驟，繼續(xù)調(diào)整下去。 直至達(dá)到滿足要求為止。

上例說明，一次到位法，調(diào)整的速度雖然很快，但是，因加大了基床系數(shù)和基礎(chǔ)厚度，工程費(fèi)用增加了；逐步逼近法雖然計(jì)算過程加長，但可以節(jié)約基礎(chǔ)混凝土工程量，造價可能要低。所以，究竟采用何種方法，應(yīng)該分析，權(quán)衡利弊，最后再定。

上例說明，如果要要滿足機(jī)床加工精度，地基的剛度必須提高，地基必須加固處理。至于用何種方法處理，另文研究。

4 分析與討論

4.1 應(yīng)該重視機(jī)床基礎(chǔ)厚度初估工作。

工業(yè)廠房設(shè)計(jì)工作時，因 廠房柱基埋深選定的較淺，逼得在設(shè)備基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與施工時，

不得不對柱基采取支護(hù)加固處理。如德陽某公司的幾個車間，由于聯(lián)合鏜床基礎(chǔ)、組合工業(yè)爐群基礎(chǔ)的深度超過廠房柱基深度兩米以上，逼得設(shè)備基礎(chǔ)施工時，都對廠房柱基下的土壤，采用了雙液矽化、成孔灌注樁錨拉支護(hù)或噴錨支護(hù)措施，不單增加了投資，而且，拖長了工期。

文件[5]和本文提出的厚度估算公式，比較簡單，尤其是，本文提出的公式，物理概念清楚，涉及基礎(chǔ)與地基剛度范圍較寬。建議在廠房設(shè)計(jì)時 ，先按此估算機(jī)床基礎(chǔ)厚度，再選定柱基的深度較好。

4.2 金屬切削機(jī)床基礎(chǔ)的內(nèi)力與變形，必須滿足機(jī)床加工精度要求。

因機(jī)床基礎(chǔ)的厚度一般較大，內(nèi)力計(jì)算和強(qiáng)度復(fù)核，大部分都可滿足要求，設(shè)計(jì)時可以不作重點(diǎn)考慮。 機(jī)床基礎(chǔ)的變形計(jì)算，比較復(fù)雜，且因涉及因素較多，計(jì)算結(jié)果很難符合實(shí)際，建議在大型機(jī)床基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中，應(yīng)該根據(jù)機(jī)床加工精度要求，選擇較好的方法，對變形進(jìn)行重點(diǎn)計(jì)算。

為了加快變形計(jì)算速度，按文件[2]中的內(nèi)力計(jì)算表和本文提供的調(diào)整方法操作，是可以很快得到滿意結(jié)果的，建議參考使用。

4.3 應(yīng)該根據(jù)地基動態(tài)抗壓剛度系數(shù)CZ進(jìn)行機(jī)床基礎(chǔ)的變形計(jì)算。

理由一：在加工時，金屬切削機(jī)床大多是在加工件和刀具移動（如車床），或者是機(jī)床立柱帶著刀具移動（如落地塘床），或者是工件移動（如龍門銑刨床）的情況下工作的，作用在基礎(chǔ)上的荷載，都是移動的，或動態(tài)的。作用的時間是短暫的。。地基的變形也是短暫、反復(fù)變化的。這樣，應(yīng)該采用地基動態(tài)抗壓剛度系數(shù)，進(jìn)行基礎(chǔ)變形計(jì)算，

理由二：按照規(guī)范規(guī)定，一般大型金屬切削機(jī)床基礎(chǔ)，在設(shè)備安裝前，都要進(jìn)行預(yù)壓，機(jī)床與基礎(chǔ)自重作用產(chǎn)生的地基前期變形，大部分已經(jīng)被消除掉了，投產(chǎn)以后，因加工產(chǎn)生的變形，應(yīng)是處于彈性階段下的

理由三：文件對裝載機(jī)軌枕基礎(chǔ)地基，使用彈性模量計(jì)算地基梁的作法，是可以作為參考的。

在上例中，是需要計(jì)算加工過程中的變形差，應(yīng)該使用地基動態(tài)抗壓剛度系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果，會減小很多。

[1]天津大學(xué)建筑工程系地下工程教研室編。 地下結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算。 北京：中國建筑工業(yè)出版社。1979.

[2]徐芝綸編。 結(jié)構(gòu)力學(xué)補(bǔ)充教材（第二種）。北京： 人民教育出版社。1961.

[3]蘇聯(lián)、動力機(jī)械基礎(chǔ)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范（CH18-58）、北京：中國工業(yè)出版社、1962.

[4]中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)、動力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范 GBJ40-79（試行）、北京、中國建筑工業(yè)出版社、1980.

[5]中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)。動力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范 GB 50040-96.北京。中國計(jì)劃出版社。1996.

[6]第一機(jī)械工業(yè)部設(shè)計(jì)研究總院編。 動力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)手冊。 北京：中國建筑工業(yè)出版社。1986.

[7]華東工業(yè)建筑設(shè)計(jì)院譯。 彈性地基上結(jié)構(gòu)物的計(jì)算。 北京： 建筑工業(yè)出版社。 1957.