CC BY
9УДК 693.78
А.В. КОРОЧКИН, канд. техн. наук, главный инженер департамента проектирования автомобильных дорог ООО «ТрансПроект»; К.М. ПЕТРОВ, начальник управления планирования и анализа ЗАО «Инжиниринговая корпорация «Трансстрой» (Москва)
Расчет жесткой дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием с применением программных комплексов
Дорожная одежда является одним из важнейших составных элементов автомобильной дороги. Затраты на ее устройство в ряде случаев достигают 60—70% от общей стоимости строительства, а состояние дорожной одежды в значительной степени влияет на скорость и безопасность движения.
Проектирование и строительство жесткой дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием — сложная комплексная задача, учитывающая большое количество различных компонентов конструкции в напряженно-деформированном состоянии. При расчете основания и покрытия данных дорожных одежд необходимо учесть все факторы, оказывающие разрушающее и изнашивающее действие на конструкцию [1].
Расчет конструкций дорожных одежд с использованием ручных методов остается в прошлом. Им на смену приходят автоматизированные программные комплексы, без которых в настоящее время трудно представить проектирование дорожных конструкций. Статья посвящена вопросам разработки одного из программных комплексов, значительно упрощающих процесс конструирования и расчета дорожной одежды.
Разработке программного комплекса предшествовало изучение теоретических основ математического моделирования напряженно-деформированного состояния конструкции комбинированной дорожной одежды. Была выполнена постановка проблемы моделирования нагруженного состояния дорожной конструкции. Разработана модель транспортного средства как основного источника силового воздействия на дорожную одежду. С помощью метода конечных элементов (МКЭ) проведено математическое моделирование напряженно-деформированного состояния конструкции жесткой дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием. Предложена динамическая математическая модель нагруженного состояния дорожной конструкции при воздействии движущегося транспортного средства. Получена качественная картина напряженно-деформированного состояния.
В процессе работы над программным комплексом были решены следующие задачи:
а 0,2 0,1 5 0
I -0,1
® -0,2 3е
I -0,3 ф
£ -0,4
с= -0,5 -0,6 -0,7
Время, с
• оценка состояния вопроса, анализ и систематизация нормативной документации, изучение теоретических моделей и практического опыта устройства рассматриваемой конструкции;
• определение фактической и перспективной расчетных нагрузок на конструкцию;
• выявление закономерностей воздействия расчетной нагрузки на дорожную одежду;
• постановка проблемы напряженно-деформированного состояния жесткой дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием;
• использование метода конечных элементов для моделирования нагруженного состояния дорожной конструкции;
• разработка математической модели транспортного средства как основного источника силового воздействия на дорожную одежду;
• построение пространственной динамической модели напряженно-деформированного состояния дорожной конструкции при воздействии движущегося транспортного средства;
• разработка методов расчета жесткой дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием с применением математической модели нагруженного состояния конструкции;
• проведение всесторонних экспериментальных исследований с целью определения параметров, свойств и характеристик комбинированной дорожной одежды и оптимизации математической модели напряженно-деформированного состояния конструкции;
• разработка программного комплекса для моделирования нагруженного состояния дорожной конструкции. В статье представлен созданный специально в рамках научной работы программный комплекс и вспомогательные модули для математического моделирования нагруженного состояния дорожной конструкции. Напряженное состояние формируется граничными условиями на дорожной поверхности при движении транспортного средства. Это явление теоретически объяснено и экспериментально подтверждено. Граничные условия на поверхности определяются формой «бегу-
б
0,2 0,1 о -0,1 -0,2 -0,3 -0,4 -0,5
Время, с
Рис. 1. Форма «бегущей волны» на поверхности рабочего тела дорожной конструкции: а - скорость 10 м/с; б - скорость 20 м/с
научно-технический и производственный журнал Q'fFCJM".!^ JJbrlbJ^
май 2013 »ГМ^ШШГ
Рис. 2. Экспериментальные графики упругих деформаций дорожной конструкции при воздействии движущегося транспортного средства: 1 - прогиб 1; 2 - прогиб 2
щей волны». На выходе этой модели дорожной конструкции также рассчитывается поле напряжений во всех точках рабочего тела. Даны рекомендации по проведению аналитических расчетов напряженно-деформированного состояния дорожной одежды с целью оптимизации ее свойств и параметров.
На рис. 1 приведены примеры расчетов по разработанной методике. Рассматривали движение двухосного автомобиля. Параметры автомобиля соответствовали экспериментальному. Это дало возможность сравнивать полученные расчетные и экспериментальные показатели.
Из приведенных результатов можно сделать следующий предварительный вывод: зона деформации дорожной конструкции при воздействии движущегося транспортного средства занимает большое по протяженности пространство дорожной конструкции и значительно
превосходит размеры чаши прогиба одиночного точечного воздействия непосредственно вблизи контакта шины с дорогой [2].
Полученные качественные закономерности взаимодействия транспортного средства с дорожной конструкцией подтверждены также экспериментально (рис. 2).
В соответствии с постановкой проблемы рассмотрены два основных положения: анализ прочности дорожной конструкции и анализ долговечности дорожной конструкции.
Для решения этих задач предложены модели объектов с учетом реальных физико-механических свойств материалов [3, 4]. Так как имеются различные возможности реализации этих моделей, в данном разделе обобщены варианты построения вычислительных алгоритмов. Поскольку принципиальные подходы к формированию структуры вычислительных алгоритмов для двух обозначенных задач во многом совпадают, остановимся подробнее на анализе долговечности дорожной конструкции.
Обоснование предлагаемой методики оценки усталостной долговечности дорожной конструкции можно пояснить следующими выкладками.
В линейной механике разрушения скорость разрушения при действии циклической нагрузки V выражается соотношением:
V = С(ДК)", (1)
где ДК — изменение коэффициента интенсивности напряжений; С — константа материала.
Изменение коэффициента интенсивности напряжений выражается соотношением:
АК =Дстл/м7, (2)
Рис. 3. Рабочая схема связи элементов вычислительного алгоритма для анализа долговечности дорожной конструкции
где До — изменение напряжения в заданной точке рабочего тела дорожной конструкции; И, l — константы, характеризующие зону разрушения. Имеем:
у=С(Дал/м7)"
Преобразуем это соотношение: -т— =До".
с-4м1
(3)
(4)
То есть разделили характеристики напряженного состояния и скорость разрушения дорожной конструкции. Если ограничиться только относительной оценкой скорости разрушения, то ее можно получить на основе расчета поля напряжений в рабочем теле и отвлечься от констант, характеризующих материал и зону разрушения [5].
Введенную здесь количественную меру для оценки долговечности дорожной конструкции назовем индекс усталостного напряжения (ИУН). Если решается ограниченная задача оптимизации геометрических параметров дорожной конструкции при использовании уже выбранных материалов, то можно ограничиться расчетом ИУН.
Различные варианты вычислительного алгоритма для анализа долговечности дорожной конструкции показаны на рис. 3.
В 1-м варианте используются окончательные расчетные формулы для критических напряжений. В данном исследовании в качестве критических напряжений приняты максимальные изгибные напряжения в бетонном слое.
Во 2-м варианте точечное воздействие, или воздействие, распределенное по площади контакта шины с дорожной поверхностью, включается как заданное в конечно-элементной модели дорожной конструкции.
¡■Л ®
научно-технический и производственный журнал
май 2013
9
На выходе этой модели дорожной конструкции рассчитывается поле напряжений во всех точках рабочего тела.
В 3-м варианте показано формирование граничными условиями напряженного состояния.
Так как основным источником внешних силовых воздействий на дорожную конструкцию является микропрофиль дорожной поверхности с движущимся транспортным средством, который рассматривается как стохастический процесс, во всех вариантах характеристики напряжений рассматриваются также как случайные величины. Оценкой этих величин являются средне-квадратические значения.
В 1-м и 2-м вариантах входной величиной является среднеквадратическое значение силового воздействия во всем диапазоне частот.
В 3-м варианте входной величиной является среднеквадратическое значение силового воздействия в низкочастотном диапазоне. Это объясняется тем, что явление «бегущей волны» возможно только для процессов, идущих со сравнительно небольшими скоростями. Из анализа спектральной плотности силового воздействия можно отметить, что низкочастотная область силового воздействия лежит в очень узкой полосе. Это учитывается при расчете формы «бегущей волны».
По разработанным алгоритмам и программам проводили серию расчетов, варьировали толщину асфальтобетонного слоя. Рассматривали движение «бегущей волны», которая передвигалась со скоростью транспортного средства.
Характерной особенностью работы дорожной конструкции в условиях проведенных численных экспериментов является сложный и неоднозначный характер зависимости выходных параметров от варьируемого параметра — толщины слоя асфальтобетона. Можно предположить, что наиболее опасным для работоспособно-
сти дорожной конструкции является рост напряжений в асфальтобетонном слое и касательных напряжений на границе асфальтобетон—цементобетон в широком диапазоне изменения варьируемого параметра. Почти во всем диапазоне происходит рост индекса усталостного нагружения слоя асфальтобетона, что является причиной снижения долговечности дорожной конструкции. Однако концепция жесткой дорожной одежды состоит в максимальном использовании цементобетонного основания как несущего элемента конструкции. Цементобетон относительно успешно справляется с транспортными нагрузками даже без устройства асфальтобетонных слоев. В связи с этим устройство асфальтобетонного слоя толщиной 10—12 см создаст оптимальные условия работы жесткой дорожной одежды с асфальтобетонным покрытием и повысит транспортно-эксплуатационные качества автомобильной дороги.
Ключевые слова: цементобетон, асфальтобетон, прочность, расчет.
Список литературы
1. Методические рекомендации по проектированию жестких дорожных одежд. М., Информавтодор, 2004.
2. Корочкин А.В. Расчет толщины асфальтобетонных слоев жесткой дорожной одежды // Строительные материалы. 2009. № 11. С. 62-64.
3. ГОСТ 26633-91. Бетоны тяжелые и мелкозернистые. М., 1992.
4. ГОСТ 9128-2009. Смеси асфальтобетонные дорожные, аэродромные и асфальтобетон. М., 2010.
5. Динамика системы: Дорога-Шина-Автомобиль-Водитель / Под ред. А.А. Хачатурова. М.: Машиностроение, 1976. 535 с.
000 «ТД «ИНТА-СТР0Й», 644113, Омск, ул. 1-я Путевая, 100
Тел.: (3812) 35 65 44, 35 65 45. E-mail: info@inta.ru. Http: www.inta.ru
[ОВОВШОВАНИЕ «ИНТА-СТРОЙ»
ДЛЯ ПРОМЫШЛЕННОСТИ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ
СУШИЛЬНЫИ БАРАБАН ШЛ 512
Основные характеристики:
• производительность, т/ч - 6;
• установленная мощность, кВт -11;
габариты (дл., шир., выс.], мм-13200,1900,3100; масса, кг -14000.
Назначение:
• Сушка и предварительное измельчение сыпучих материалов в технологии полусухого прессования кирпича и других отраслях промышленности.
Преимущества:
- снижение затрат на сушку;
- противоточное движение газов и сырья, с использованием рециркулята;
- герметичность торцевых уплотнений;
- теплоизоляционный материал, уложенный между продольными стрингерами жесткости;
- автоматизация и датчики контроля;
- обрезиненные приводные катки (снижают шум и вибрацию);
- высокая степень заводской готовности.
!
■
:
[*МЬ1 ЗВЕНЬЯ ОДНОЙ ЦЕПИ ^ж^ж^ МЫ ЗВЕНЬЯ ОДНОЙ ЦЕПИ ^ж
* МЫ ЗВЕНЬЯ одной цепиа
Реклама
научно-технический и производственный журнал Q'fprjyTj'iJJbrlbJ^ TÖ май 2013
