авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 |   ...   | 3 | 4 || 6 |

Разработка теории вибрационного разрушения нежестких дорожных одежд и путей повышения их долговечности

-- [ Страница 5 ] --

Следовательно, динамический подбор соотношения толщин смежных слоев дорожных одежд, уменьшая динамические силы в этих слоях и снижая вибрационное динамическое нагружение, будет повышать в эксплуатации работоспособность и долговечность дорожной конструкции.

Было выявлено, что при динамическом подборе соотношения частот упругой взаимосвязи смежных слоев дорожной одежды в процессе колебаний динамические прогибы дорожной конструкции существенно уменьшаются.

При колебаниях смежные слои дорожной одежды могут перемещаться, совпадая по фазе или находясь в противофазе. Возможны также промежуточные сочетания. При определенных условиях отдельные слои могут реализовывать процессы взаимного «раскачивания», создавая явление похожее на резонанс. Для достижения противоположного результата или явления «гашения колебаний» необходимо подобрать парциальные частоты слоев так, чтобы слои находясь в противофазном движении реализовывали процесс силовых противодействий. Такой принцип был использован при формировании 11-го конструкционного варианта дорожной одежды.

На рис. 11 и 12 представлены расчетные амплитудно-временные характеристики динамических сил в двухслойном асфальтобетонном покрытии для конструкционных вариантов № 10 и 11 соответственно. Эти характеристики хорошо иллюстрируют, что причиной неудовлетворительной работоспособности покрытия дорожной конструкции, спроектированной по 10-му варианту, является однофазность действия динамических сил в смежных слоях. Такие процессы характеризуются ростом динамических сил, прогибов и напряжений. За счет этого появляется повышенная способность к разрушению покрытий.

В конструкционном варианте дорожной одежды № 10 противофазность динамических сил составляет 42 % силовых амплитуд, а в 11-м варианте 95 %. В исследуемом временном диапазоне 0,5с динамические силы в слоях плотного и пористого асфальтобетона в варианте №10 совпадают при колебаниях по фазе и следовательно, «раскачивают» друг друга 40 раз, а в 11-м варианте только 4 раза.

Отсюда следует, что низкая долговечность покрытий в конструкционных вариантах №7…10 является следствием произвольного подбора соотношений толщин слоев дорожной одежды, выполненное на стадии проектирования.

При исследованиях было также выявлено, что динамический подбор соотношения частот упругой взаимосвязи смежных слоев с одновременным повышением толщин основания дорожной одежды позволяет не только снизить уровень динамических сил в покрытии, но и улучшить прочностные показатели всей дорожной конструкции. На этом принципе был сформирован улучшенный конструкционный вариант № 12. Расчеты показали, что в этом варианте, по сравнению с вариантом № 11, уровень динамических сил в покрытии снизился еще в 1,2 раза. В тоже время коэффициент запаса прочности повысился до 1,6 (у варианта № 11 Кпр=1,45), а противофазность действия динамических сил в слоях покрытия достигла 96 %.

Рис. 11. Амплитудно-временная характеристика динамических сил в слоях асфальтобетона (10й вариант).

Рис. 12. Амплитудно-временная характеристика динамических сил в слоях асфальтобетона (11й вариант).

Ускоренное разрушение дорожных покрытий, наблюдаемое в последние годы, часто связывают не только с ростом интенсивности движения, но и с увеличением числа многоосных грузовых автомобилей в транспортном потоке. Это подтверждают многочисленные материалы статистических обследований автомобильных дорог в РФ и за рубежом. Однако причины этого явления до сих пор не получили убедительного объяснения. Принято считать, что основной причиной такого разрушительного эффекта является наличие у этих автомобилей повышенных нагрузок на ось.

При повышении осности автомобилей возрастает количество ударных нагружений дорожных одежд. За счет этого свободные колебания слоев имеют большую продолжительность, что является причиной роста интенсивности разрушения дорожных конструкций. Рост количества ударных воздействий сопровождается также неблагоприятным сочетанием временных диапазонов воздействий по отношению к частотам дорожных слоев.

Исследования по оценке влияния многоосных автомобилей на процесс формирования динамических сил в слоях дорожных одежд показали, что существует функциональная связь уровня динамических сил с техническими характеристиками автомобилей и их скоростным режимом. Эта связь нелинейная. Многоосные автомобили, за счет большего числа осей и наличия сдвоенных осей, существенно увеличивают динамические прогибы по сравнению с такими же показателями для двухосных автомобилей. Расчетные динамические прогибы дорожной конструкции, формируемые при движении различных марок автомобилей, представлены на рис. 13.

Рис. 13. Динамические прогибы дорожной конструкции, сформированные различными типами автомобилей

При движении многоосных грузовых автомобилей рост динамических сил в слоях дорожных одежд приводит к увеличению уровней динамических прогибов и способствует ускорению разрушений покрытия.

Расчеты показали, что конструкции дорожных одежд, обеспечивающих противофазность действия динамических сил в слоях за счет динамического подбора соотношений частот упругой взаимосвязи, позволяют значительно снизить вибрационное нагружение от любых типов автомобилей.

При наличии в транспортном потоке значительного количества многоосных грузовых автомобилей рекомендована специально разработанная конструкция дорожной одежды (вариант № 13). На рис. 14 представлены графики реализуемых средних расчетных динамических сил в покрытии при нагружении многоосными автомобилями, движущимися с различными скоростями, дорожных одежд, спроектированных по вариантам № 13 и № 8.

Конструкционный вариант дорожной одежды № 8
Конструкционный вариант дорожной одежды № 13

Рис. 14. Средние динамические силы в покрытии, возникающие при прохождении многоосных автомобилей

Преимущество виброзащищаемого конструкционного варианта № 13 достаточно наглядно. Динамический подбор соотношений частот смежных слоев дорожных одежд позволяет снизить вибрационное нагружение от многоосных автомобилей на дорожную конструкцию в 2…3 раза.

В пятой главе представлены разработанные методики расчета дорожных одежд на прочность при учете вибрационного нагружения. При их разработке принималось за основу, что дорожные одежды, спроектированные и рассчитанные в соответствии с действующими нормативными документами, имеют достаточные запасы прочности.

Основные принципы методики:

  • после прохода каждого расчетного автомобиля в расчетном сечении возникает многочастотный процесс колебаний всех слоев дорожной одежды, который осуществляет дополнительное, к воздействию от расчетного автомобиля, вибрационное нагружение дорожной конструкции;
  • на определенном интервале времени, возникающие вибрационные динамические прогибы слоев дорожной конструкции, сопоставимы по величине с прогибами под колесом движущегося автомобиля.

Методика базируется на том, что при учете вибрационной нагруженности в расчетах дорожных одежд на прочность по допустимому упругому прогибу необходимо рассчитать динамические прогибы, формируемые в послеударный период при колебательных процессах, а затем перевести их в силовые эквивалентные нагружения, соответствующие воздействию от движущихся автомобилей с различной нагрузкой на ось (условные автомобили). Эти нагружения можно выразить как давления на покрытие колес условных автомобилей

(9)

где, l - динамический прогиб дорожной конструкции;

Рэкв - вибрационное нагружение, МПа.

Эквивалентные нагрузки следует сопоставить с величиной нормативного давления на покрытие от колеса расчетного автомобиля группы А (Р=0,6 Мпа). При этом будут получены эквивалентные доли нагружения от Р. По эквивалентным долям нагружения (Рэкв) вычисляется суммарный коэффициент приведения Sп

(10)

где, Рэкв – динамическая нагрузка на дорожную конструкцию, возникающая за счет вибрационных прогибов;

Равт –давление на покрытие от колеса расчетного автомобиля типа А;

- показатель степени равный 4,4 для капитальных дорожных одежд.

Общее число приложений расчетной нагрузки с учетом вибрационного нагружения определится как

(11)

где, - суммарное расчетное количество приложений расчетной нагрузки за срок службы.

Выполненные исследования позволили установить, что при учете вибрации конструкция дорожной одежды с «плохими» динамическими качествами имеет Sп1. В конструкции с динамическим соотношением частот смежных слоев коэффициент приведения Sп<1. В соответствии с (11), величина Sп, формируя общее число приложений расчетной нагрузки Nр.дин, фактически становится основным критерием оценки динамических качеств дорожных конструкций и количественным показателем их недоупрочнения, которое закладывается на стадии проектирования при расчете дорожных одежд на прочность по допустимому упругому прогибу.

Эффективность данной методики была оценена путем сравнения расчетной теоретической долговечности исследуемых вариантов конструкций дорожных одежд со статистическими данными по эксплуатации подобных конструкций. Расчетные сроки службы дорожных одежд с учетом вибронагруженности близки к фактической эксплуатационной долговечности.

Отличие данной методики проектирования дорожных одежд от методики по ОДН 218.046-01 состоит также в том, что нормативный срок службы дорожных одежд не назначается, а рассчитывается по следующей зависимости:

(12)

Выражение (12) базируется на функциональной связи долговечности дорожной одежды с интенсивностью движения на конец нормативного срока службы Nр, суммой нагружений за весь период работы Nр и показателем приращения интенсивности движения по годам q.

Расчеты показали, что при учете вибрационного нагружения расчетные сроки службы двухслойного асфальтобетонного покрытия типовых дорожных одежд должны составлять от 2 до 5 лет, а трехслойного не более 8 лет. Эти данные хорошо согласуются со статистическими эксплуатационными показателями для автомобильных дорог в РФ. Прогнозный срок службы двухслойного покрытия для конструкции с динамическим соотношением парциальных частот смежных слоев составил около 11 лет.

Основным способом существенного повышения долговечности нежестких дорожных одежд является снижение уровня их вибронагружения или уровня динамических сил в слоях дорожной одежды. Для решения этой задачи был разработан метод формирования рационального соотношения парциальных частот слоев дорожной одежды или рационального подбора соотношений толщин слоев, основанный на реализации колебательных процессов с противофазным силовым противодействием смежных слоев.

Сформированная на основе этого метода математическая модель динамического подбора толщин пятислойной дорожной одежды имеет вид:

, м (13)

где, i – порядковый номер слоя дорожной одежды;

- плотность материала слоя, кг/м3.

Математическая модель (13) позволяет при проектировании рассчитать толщины слоев дорожной одежды, обеспечивающие реализацию динамического соотношения частот упругой взаимосвязи смежных слоев и низкий уровень вибрационного нагружения этих конструкций.

В соответствии с ОДН 218.046-01, после расчета дорожных одежд на прочность по допустимому упругому прогибу, необходимо выполнять проверочный расчет дорожного покрытия на сопротивление усталостному сопротивлению при изгибе. Это особенно важно для конструкций с динамическим соотношением частот смежных слоев, так как повышенная работоспособность и долговечность таких конструкций достигается не утолщением покрытия, а снижением вибрационного нагружения.

Учитывая, что колебательные процессы, формируемые в слоях дорожных одежд, эквивалентны росту количества приложений нагрузки от расчетного автомобиля группы А, необходимо в расчетах снижать предельные растягивающие напряжения в монолитных слоях и тем больше, чем хуже динамические характеристики дорожных одежд. При вибрационном нагружении сроки службы покрытий до появления усталостных трещин существенно уменьшаются.

Для оценки сроков службы дорожного покрытия по критерию усталостного разрушения при учете их вибронагруженности разработан расчетно-графический метод прогнозирования долговечности. При этом долговечность устанавливается по диаграмме прогнозирования. Для вычисления срока службы покрытия необходимо:

  • графически изобразить кривую усталости, рассчитанную по следующей зависимости

(14)

где, R0 – нормативное значение предельного сопротивления растяжению при изгибе; RN – растягивающее напряжение в монолитном слое; К2 – коэффициент, учитывающий влияние погодно-климатических факторов; R – коэффициент вариации прочности на растяжение; t – коэффициент нормативного отклонения; - коэффициент уточнения; m – показатель, зависящий от свойств материала.

  • построить на графике кривую нагружения выбранного варианта конструкции дорожной одежды, которая рассчитывается по следующему уравнению:

(15)

где, рТ i - суммарное нагружение в i-ый год эксплуатации с учетом расчетного числа дней в году и типа дорожной одежды, авт;

Nр1дин – расчетная интенсивность движения в 1-й год эксплуатации с учетом вибронагружения, авт/сут;

Тi – расчетный год эксплуатации.

  • по диаграмме прогнозирования определить теоретический срок эксплуатации покрытия без появления усталостных трещин.

На рис. 15 представлена диаграмма прогнозирования сроков усталостного разрушения покрытий по кривым нагружения и усталости. Для иллюстрации метода на рисунке показаны несколько кривых динамического нагружения исследуемых вариантов с различным соотношением толщин дорожных слоев.

Рис. 15. Диаграмма определения прогнозируемых сроков усталостного разрушения 2-х слойного дорожного покрытия с учетом вибрации

1 – кривая усталости; 2 – кривая вибронагружения (13 вариант);

3 – то же (9 вариант); 4 – то же (10 вариант); 5 – то же (8 вариант), 6 – кривая вибронагружения конструкции с условным желаемым сроком службы 25 лет

Из диаграммы следует, что у исследуемых конструкционных вариантов дорожных одежд № 8, № 9 и № 10 усталостные трещины могут возникнуть уже через 6…10 лет эксплуатации, что соответствует материалам мониторинга автомобильной дороги М-13. Строительство дорожной одежды по варианту № 13 с динамическим соотношением частот упругой связи смежных слоев может позволить увеличить этот срок до 14 лет.

Если учитывать тот факт, что колебательные процессы должны вызывают знакопеременные деформации, то предельно допустимые напряжения в для покрытий необходимо значительно снижать (более чем на 50 %). Это связано с тем, что изгибные напряжения при колебательных процессах также становятся знакопеременными. При таких напряжениях эффективность конструкций дорожных одежд, рассчитанных по динамическому соотношению частот, еще более возрастет. Чем меньше будут динамические прогибы и связанные с ними уровни напряжений, тем большее число циклов нагружений выдержит покрытие до перехода в стадию усталостного разрушения монолитного слоя.

Сравнительную оценку дорожных покрытий по усталостному сопротивлению можно проводить по вибрационному спектру напряжений. На рис. 16 представлены спектры напряжений в покрытии для конструкционных вариантов дорожных одежд №10 и №13. Снижение напряжений в покрытии при использовании виброзащищающей конструкции № 13 достаточно наглядно. Поэтому прогнозная долговечность покрытия в № 13 в 1,4 раза больше, чем у покрытия варианта № 10.

а) – вариант № 10

в) – вариант № 13

Рис. 16. Спектры напряжений в дорожном покрытии при колебаниях

В данной главе изложена физическая сущность механизма вибрационного разрушения нежестких дорожных одежд. Показано, что вибрационное нагружение, функционирующее после снятия автомобильного воздействия, усиливает и ускоряет темпы разрушений дорожных конструкций.

В шестой главе анализируются материалы натурного экспериментального определения собственных динамических параметров слоев дорожной одежды.

Целью натурного эксперимента являлось определение численных значений частот свободных колебаний эксплуатируемых дорожных одежд и сопоставление их с расчетно-теоретическими частотами. При теоретических исследованиях использовались частоты, зависящие от материала слоя дорожной одежды и от упругих связей между смежными слоями. Они были определены с использованием расчетных параметров. Экспериментальные показатели должны были позволить также уточнить величину приведенной площади. Кроме того, ставилась задача оценить реальные уровни диссипации в слоях, влияющие на формирование амплитудно-временных характеристик.

Методика проведения натурного эксперимента предусматривала возбуждение свободных затухающих колебаний слоев дорожных одежд, т.е. формирование вибронагруженности дорожных конструкций. С этой целью осуществлялся сброс микроавтобуса Citroen с «деревянного клина» высотой 0,15 м поочередно передними и задними осями и производилась запись виброускорений колеблющейся дорожной конструкции. Для исключения влияния на колебательный процесс деформационных волн от движущихся автомобилей, движение автотранспорта во время эксперимента было закрыто. Чтобы результаты испытаний статистически были достоверны, производился шестикратный сброс автомобиля (по три сброса передними и задними колесами).

Натурный эксперимент был проведен на 18 км автомобильной дороги Таллинн-Санкт-Петербург, который соответствовал конструкции дорожной одежды участка автомобильной дороги М-13.

Испытания проводили сотрудники дорожного департамента Эстонской республики, фирмы АS Spacecom, представляющей деловые транспортные интересы РФ в Эстонии, и центральной лаборатории физики инспекции охраны здоровья Эстонской республики, с участием автора работы.

Измерения осуществлялись по международным стандартам по методикам NT ACOU 082-1991 (NORDTEST METHOD) и NS 8176E-1991 (NORSK STANDART). Приборная база включала измерительный прибор SVAN 948, акселерометр DYTRAN type 3143M1 и виброкалибратор Bruel & Kjaer 4294. При измерении уровней вибрации использовался третьоктавный диапазон частот в области 0,8…125 Гц, охватывающий фактический частотный спектр собственных частот автомобилей и элементов дорожной конструкции.



Pages:     | 1 |   ...   | 3 | 4 || 6 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.