Учет динамического воздействия многоосных транспортных средств при расчете дорожных конструкций
На правах рукописи
КОНОРЕВ АЛЕКСАНДР СЕРГЕЕВИЧ
УЧЕТ ДИНАМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ МНОГООСНЫХ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ ПРИ РАСЧЕТЕ ДОРОЖНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
Специальность 05.23.11 – Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Волгоград, 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ростовский государственный строительный университет».
Научный руководитель: Илиополов Сергей Константинович
доктор технических наук, профессор
Официальные оппоненты: Столяров Виктор Васильевич
доктор технических наук, профессор
ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.», заведующий кафедрой «Транспортное строительство»
Лукин Владимир Александрович
кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно- строительный университет» доцент кафедры «Строительство и эксплуатация транспортных сооружений»
Ведущая организация:
Северо-Кавказский филиал «СЕВКАВГИПРОДОРНИИ» открытого акционерного общества «Дорожный проектно-изыскательский и научно-исследовательский институт «Гипродорнии»
Защита состоится 24 мая 2012 г. в 15-00 ч. в ауд. Б-203 на заседании диссертационного совета Д 212.026.04 при ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 400074, г. Волгоград, ул. Академическая, 1
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВолгГАСУ
Автореферат разослан _____ ___________ 2012 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Акчурин Талгать Кадимович
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность исследований.
Значительный прирост интенсивности движения на российских автомобильных дорогах за последние десятилетия, увеличение грузоподъемности транспортных средств и доли многоосных автопоездов в составе грузового транспортного потока (до 45 %) обуславливает увеличение количества и интенсивности приложения транспортных нагрузок к автомобильной дороге в единицу времени. Фактический срок службы дорожных конструкций существенно сократился.
Анализ напряженно-деформированного состояния дорожной конструкции показал, что основное разрушающее воздействие на автомобильную дорогу производят грузовые многоосные автопоезда, движение которых осуществляется с нагрузками нередко превышающими нормативные.
Действующая методика приведения многоосных транспортных средств к расчетным нагрузкам, изложенная в нормативном документе по проектированию нежестких дорожных одежд (ОДН 218.046-01), не позволяет учесть вариативность многоосных транспортных средств по конструктивным схемам, их скорость движения, распределение нагрузок по осям и их взаимное влияние при расчете дорожных конструкций, что нередко приводит к ошибочным конструктивным решениям.
В настоящее время очевидна необходимость совершенствования методики расчета дорожных конструкций с учетом динамического воздействия многоосных транспортных средств.
Целью диссертационной работы является разработка методики учета динамического воздействия многоосных транспортных средств на дорожную конструкцию в зависимости от параметров скоростных режимов движения, распределения осевых нагрузок автомобилей и ровности дорожного покрытия для определения суммарного количества приложений расчетной нагрузки при проектировании строящихся и расчете остаточного ресурса эксплуатируемых нежестких дорожных одежд.
Для достижения поставленной цели диссертационной работы сформулированы следующие задачи:
- исследование факторов, влияющих на уровень динамического воздействия многоосных транспортных средств на дорожную конструкцию;
- исследование и анализ динамики изменений состава, скоростных режимов движения, осевых и полных нагрузок многоосных грузовых транспортных средств, движущихся в транспортном потоке по автомагистралям Российской Федерации;
- имитационное моделирование динамического воздействия многоосных транспортных средств на покрытие дорожных конструкций с учетом их скоростных режимов движения, осевых нагрузок и ровности покрытия;
- проведение численного эксперимента оценки динамического воздействия многоосных транспортных средств на основе разработанных имитационных моделей;
- проведение опытно-экспериментальных работ по определению характеристик воздействия многоосных транспортных средств на нежёсткие дорожные конструкции и сопоставление с результатами численного эксперимента;
- разработка методики учета динамического воздействия многоосных транспортных средств на дорожную конструкцию на стадии проектирования дорожных конструкций и при расчете остаточного срока службы дорожных одежд.
Объект исследования – воздействие движущихся многоосных транспортных средств на дорожные конструкции.
Методы исследования. Результаты диссертационных исследований получены методами документального изучения, имитационного моделирования, натурного исследования.
Научная новизна работы состоит в следующем:
- разработаны имитационные модели динамического воздействия многоосных транспортных средств при проезде по покрытию дорожных конструкций с учетом показателя ровности;
- выявлены зависимости динамического коэффициента для наиболее распространенных в РФ конструктивных схем многоосных транспортных средств от скорости движения, осевых нагрузок и продольной ровности дорожного покрытия;
- получена эмпирическая зависимость коэффициентов приведения многоосных транспортных средств к расчетной нагрузке от скорости их движения, распределения осевых нагрузок и продольной ровности дорожного покрытия.
Достоверность результатов, содержащихся в диссертации, и методики обеспечена совокупностью численно-экспериментальных исследований, выполненных на современном оборудовании и сходимостью полученных данных с результатами экспериментальных замеров.
Практическое значение диссертационной работы заключается в следующем:
- на основе имитационного моделирования выявлены типы многоосных транспортных средств оказывающих наибольшее динамическое воздействие на дорожные конструкции;
- разработана методика расчета суммарного количества приложений расчетной нагрузки на стадии проектирования с учетом конструктивных схем многоосных транспортных средств и расчетной скорости движения ;
- разработана методика, позволяющая учитывать реальное воздействие многоосных транспортных средств на дорожную конструкцию с учетом их скоростных режимов движения, осевых нагрузок и фактической ровности покрытия при расчете дорожных конструкций на стадии эксплуатации.
На защиту выносятся:
- анализ составов транспортных потоков, скоростных режимов движения, распределения осевых нагрузок многоосных транспортных средств, движущихся по автомагистралям Российской Федерации;
- результаты имитационного моделирования динамического воздействия многоосных транспортных средств на дорожные конструкции;
- результаты натурных опытно-экспериментальных исследований воздействия многоосных транспортных средств на нежесткие дорожные конструкции;
- методика расчета суммарного количества приложений расчетной нагрузки на стадии проектирования дорожных одежд и остаточного срока службы на стадии их эксплуатации.
Реализация результатов работы.
Результаты исследований использовались при составлении научно-технических отчетов по темам НИОКР Росавтодора в 2006 – 2011гг: «Разработка методики оценки динамических перегрузок эксплуатируемых дорожных покрытий для расчета остаточного срока их службы», «Разработка предложений по учету воздействия современного парка многоосных транспортных средств при проектировании нежестких дорожных одежд». Результаты исследований используются в учебном процессе при подготовке инженеров по специальности «Автомобильные дороги и аэродромы».
Апробация результатов исследования
Основные положения диссертационной работы представлялись и обсуждались на международных научно-практических конференциях «Строительство» (г. Ростов-на-Дону, 2007, 2009, 2010, 2011 гг.), на 4-й Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов, и молодых учёных «Развитие дорожно-транспортного комплекса и строительной инфраструктуры на основе рационального природопользования » (г. Омск, 2011 г.)
Публикации. По теме диссертации автором опубликованы 18 научных работ, в том числе 5 работ в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения и библиографии. Общий объем диссертации составляет 187 стр., 100 рисунков, 40 таблиц, библиографический список из 107 наименований, приложения.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, поставлена цель и сформулированы задачи диссертационного исследования, показаны научная новизна и практическая значимость работы.
В первой главе приведена характеристика параметров воздействия транспортных средств на дорожную конструкцию, способы оценки показателей динамического воздействия транспортных средств на дорожные конструкции в Российской федерации и за рубежом. Отмечено, что основной вклад в разрушающее воздействие на автомобильную дорогу вносят грузовые многоосные транспортные средства.
Работы современных российских и зарубежных ученых (Радовский Б.С., Смирнов А.В., Супрун А. С., Горячев М. Г., Малофеев А. Г., Дудаков А. И., Cebon D., Streit D.A.,Woodrooffe J.H., Gyenes L., LeBlanc P.A., Mitchell CGB, Gillespie, Heath A.), посвящены исследованию воздействия многоосных грузовых транспортных средств на дорожную конструкцию.
Историческое развитие конструктивных схем автотранспортных средств осуществлялось, в основном, по пути увеличения числа осей в различном их сочетании. Конструктивные особенности грузовых транспортных средств позволяют перевозить значительно больший вес, чем разрешенные в настоящее время в РФ полные нагрузки. Проезд по автомобильной дороге грузовых транспортных средств с перегрузом значительно сокращает срок службы дорожной конструкции и приводит к ее преждевременному разрушению.
В исследованиях зарубежных стран большое внимание уделяют динамическому воздействию транспортных средств на дорожные покрытия. Для оценки динамического воздействия используются различные критерии. Наиболее распространённые из них можно разделить на 2 группы. Первая группа коэффициентов (коэффициент динамической нагрузки DLC, динамический коэффициент транспортного средства (оси), совокупный Коэффициент Силы (DAFC) так или иначе определяет отношение динамических усилий, возникающих при проезде автомобиля к его статическому весу. Ко второй группе (Дорожный коэффициент напряжения F, Совокупный критерий силы, коэффициент усталостного повреждения ESAL) можно отнести критерии, позволяющие оценить динамические перегрузки посредством определения размеров различных видов дорожных повреждений, вызванных проходом нагрузок.
Одним из основных способов обеспечения требуемой долговечности и надежности дорожных конструкций является обоснованный учет характеристик воздействия современного транспортного потока при расчете суммарного количества приложений расчетной нагрузки. При проектировании дорожных конструкций для определения суммарного количества приложений расчетной нагрузки на дорожную одежду используются коэффициенты приведения автомобилей к расчетной нагрузке. Значение коэффициента приведения по результатам исследований различных ученых имеет довольно большой разброс в зависимости от типа дорожной конструкции, нагрузки на ось, давления в шине, конструктивных особенностей автомобиля. В настоящее время согласно ОДН 218.046-01 значение коэффициента приведения для многоосных транспортных средств допускается принимать менее или равным 1,5 без учета их конструктивной схемы, что не отражает реальной картины эксплуатации дорожной одежды. При определении значений коэффициентов приведения в соответствии с методикой изложенной в ОДН 218.046-01 не учитываются такие факторы, как скорость движения транспортного средства, изменение ровности покрытия в период эксплуатации, а также различная степень загруженности грузовых автомобилей.
Изменившиеся в последние десятилетия параметры транспортного потока на российских дорогах приводят к необходимости проведения теоретических и экспериментальных исследований по определению характеристик воздействия многоосных транспортных средств с нагрузками и скоростями движения, распространёнными в настоящее время на территории Российской Федерации. Это позволит адекватно учитывать характеристики воздействия грузового транспортного потока при проектировании и расчете дорожных конструкций.
Во второй главе выполнен анализ современных тенденций расширения парка многоосных транспортных средств при перевозке грузов на автомобильных дорогах Российской Федерации. Представлены данные экспериментальных исследований по определению осевых и полных нагрузок, а также скоростных режимов движения наиболее распространённых на дорогах РФ грузовых автомобилей.
Анализ статистических данных за последние 10 лет, полученных на пунктах весового контроля автомобильных дорог I и II технической категории на территории Южного федерального округа, позволяет сделать следующие выводы:
1. Существенно до 45% увеличилась доля автомобилей с грузоподъёмностью более 8 тонн и автопоездов в составе грузового транспортного потока.
2. Наиболее распространенные конструктивные схемы многоосных грузовых автомобилей: трехосный грузовой автомобиль, двухосный тягач с трехосным полуприцепом.
3. Если выделить из всего потока транспортные средства с перегрузками, то 54% из них приходится на пятиосные автомобили различных конструктивных схем.
4. Анализ распределения нагрузки между осями пятиосного автопоезда в составе седельного тягача и полуприцепа показал, что наиболее загруженной является вторая ось, где достаточно часто (в 16 % случаев) наблюдаются нагрузки свыше 100 кН. Три оси (тридем) полуприцепа хоть и имеют незначительные нагрузки (60 – 70 кН), но при проезде приводят к сложной картине деформирования асфальтобетонного покрытия за счет близкого их расположения (1,2 – 1,8 м) и взаимного влияния.
5. Весь поток транспортных средств в зависимости от загрузки можно разделить на 3 основных типа:
• транспортные средства с нагрузкой в снаряженном состоянии (без груза);
• транспортные средства с нагрузкой не превышающей допустимые значения;
• транспортные средства с нагрузкой, превышающей допустимые значения.
6. В зависимости от изменения общей массы многоосного грузового автомобиля меняется распределение нагрузок по осям.
7. Скоростные режимы движения различных типов многоосных транспортных средств варьируются от 40 до 120 км/ч, при средней скорости движения 80 км/ч.
В третьей главе разработаны имитационные модели динамического воздействия на дорожные конструкции основных типов многоосных транспортных средств наиболее распространенных на территории Российской Федерации. Выполнено имитационное моделирование динамического воздействия многоосных транспортных средств на дорожную одежду с учетом скорости движения и массы транспортных средств, при различной ровности покрытия. На основе численного эксперимента для основных типов многоосных автомобилей получены зависимости значений выбранных динамических характеристик и коэффициентов приведения к расчетной нагрузке от скорости движения, массы автомобиля и от заданной ровности покрытия.
Разработка моделей осуществлялась в программном комплексе «Универсальный механизм» с помощью программы описания объекта Uminput, предназначенной для создания и корректировки объектов, которые могут быть представлены системой абсолютно твердых или упругих тел, связанных посредством кинематических и силовых элементов, а также для автоматизированного синтеза уравнений движения и их компиляции.
Входные параметры и параметры моделирования назначались с учетом анализа характеристик транспортного потока на территории Российской Федерации (представленные в главе 2): массы многоосных транспортных средств с распределением нагрузок по осям; их скоростных режимов движения; а также фактической ровности дорожного покрытия, представленной при моделировании микропрофилем участка существующей автомобильной дороги, заданным в виде координат точек по полосам наката.
Осевые нагрузки при различном сочетании массы кузова, массы рамы и массы кабины транспортного средства существенно различаются, поэтому для разработки моделей наиболее распространенных многоосных автомобилей было выбрано распределение нагрузок максимально соответствующее реальным автомобилям (таблица 1).
При моделировании принято, что многоосные транспортные средства передвигаются по автомобильной дороге с постоянной скоростью.
Таблица 1 – Разновидности тягачей и грузовых автомобилей, прицепов и полуприцепов в различном их сочетании:
| Конструктивная схема грузовых транспортных средств | Тягач / грузовой автомобиль | Полуприцеп / прицеп | |
| Двухосный тягач с полуприцепом |  | Renault – MAGNUM 440/19T Z1 | МАЗ – 93В020 |
| Двухосный тягач с двухосным полуприцепом |  | Renault – MAGNUM 440/19T Z1 | МАЗ – 93В660 |
| Двухосный тягач с трехосным полуприцепом |  | Renault – MAGNUM 440/19T Z1 | Kgel – GN 24 |
| Трехосный тягач с двухосным полуприцепом |  | Renault – KERAX 400.34THD 70TZ123 | МАЗ – 93В660 |
| Трехосный тягач с трехосным полуприцепом |  | Renault – KERAX 400.34THD 70TZ123 | Kgel – GN 24 |
| Двухосный грузовой автомобиль с двухосным прицепом |  | МАЗ–533603-2121 | СЗАП-8357 |
| Двухосный грузовой автомобиль с трехосным прицепом |  | МАЗ–533603-2121 | СЗАП-83053 |
| Трехосный грузовой автомобиль с двухосным прицепом |  | МАЗ–631705-230 | СЗАП-8357 |
| Трехосный грузовой автомобиль с трехосным прицепом |  | МАЗ–631705-230 | СЗАП-83053 |
Для большинства разновидностей многоосных транспортных средств были выбраны три основные скорости движения:
- 40 км/ч - минимальная скорость движения многоосного транспортного средства, выявленного на графике распределения скорости. С данной скоростью движется маломощный, либо сильно загруженный транспорт. Помимо этого, данная скорость может быть обусловлена наличием заторов на автомобильных дорогах;
- 80 км/ч – максимально разрешенная скорость движения грузовых транспортных средств по автомобильным дорогам РФ (в соответствии с правилами дорожного движения разрешенная скорость движения 70 км/ч плюс 10 километровая буферная зона погрешности изменения скорости). Данная скорость является пиковой на графике скорости движения. Помимо этого, на современных грузовиках в системе бортового управления ставится ограничение скорости – не более 85 км/ч ;
- 120 км/ч – максимальная скорость движения транспортного средства, выявленного на графике распределения скорости. Данная скорость является максимальной по паспортным данным для нескольких разновидностей грузовиков.
Для основных разновидностей многоосных транспортных средств было выбрано три основных вида нагрузки: масса транспортного средства в снаряженном состоянии, масса транспортного средства с грузом, масса транспортного средства с превышением допустимой нагрузки. Нагрузки на ось пустых транспортных средств устанавливались по техническим паспортам автомобилей и прицепов. Нагрузки в загруженном состоянии и в состоянии перегрузки получали путем увеличения массы перевозимого груза. Данные нагрузки подбирались исходя из среднестатистических нагрузок в потоке.
Детальное исследование зависимостей параметров динамического воздействия многоосных транспортных средств на дорожную конструкцию от осевой нагрузки и скорости движения осуществлялось на двух моделях автомобилей, наиболее распространенных в потоке: трехосный грузовой автомобиль, двухосный тягач с трехосным полуприцепом. Для указанных транспортных средств численный эксперимент был проведен в диапазоне скоростей от 20 до 150 км/ч и во всем диапазоне их возможной загрузки, в частности, масса для трехосного грузовика изменялась от 12250 кг до 35000 кг, для пятиосного автопоезда, состоящего из двухосного тягача с трехосным полуприцепом от 17000 кг д о 50000 кг.
В имитационных моделях контакт шины транспортных средств с поверхностью автомобильной дорогой описывается формулой Пасейки (PacejkaMagicFormula), которая позволяет по некоторым параметрам шины (вертикальная жесткость, демпфирование и др.) и по известным кинематическим параметрам шины в каждый момент времени (продольный, поперечный крип, угол развала и др.), получить значения сил и моментов, действующих в контакте между колесом и дорогой.
Подвеска автомобиля представлена в сочетании сил: биполярного линейного гасителя и биполярной силы (в виде поточечного задания значения силы от длины рессоры).
Биполярный линейный гаситель является линейным диссипативным биполярным элементом. Математическая модель:
F=-d*v, (1)
где d – коэффициент диссипации (таблица 2), v – текущая производная длины элемента по времени.
Таблица 2 – Значение коэффициента диссипации для различных осей
| Ось управления | Ведущая ось | Ось прицепа | Ось полуприцепа | |
| Коэффициент диссипации (Нс/м.) | 3 502 | 13 658 | 13 658 | 13 658 |
Табличные значения для биполярной силы были определены Дорожной и Транспортной Ассоциацией Канады(RTAC) (таблица 3).
Таблица 3 – Значение силы от длины рессоры:
а)для первой управляемой оси; б)для ведущих осей грузового автомобиля; в)для осей грузового автомобиля и прицепа.
| Сила (Н) | Отклонение (мм) |
| -172 535 | -76.2 |
| 22 693 | -31.8 |
| 26 753 | -12.7 |
| 29 924 | 0.0 |
| 33 539 | 12.7 |
| 37 989 | 25.4 |
| 153 012 | 76.2 |
а) б) в)
| Сила (Н) | Отклонение (мм) | ||
| -91 440 | -381.0 | ||
| -5 206 | -19.1 | ||
| -667 | 0.0 | ||
| 5 562 | 25.4 | ||
| 11 347 | 50.8 | ||
| 17 020 | 76.2 | ||
| 32 215 | 139.7 | ||
| 49 513 | 215.9 | ||
| 89 333 | 393.7 | ||
| Сила (Н) | Отклонение (мм) | ||
| -92 330 | -63.5 | ||
| 22 693 | -34.9 | ||
| 28 478 | -12.7 | ||
| 31 147 | 0.0 | ||
| 34 429 | 12.7 | ||
| 41 993 | 38.1 | ||
| 125 785 | 76.2 | ||
Уравнения движения систем тел в общем случае можно представить в следующем виде:
(2)
где q – основные координаты объекта, p – вспомогательные координаты (локальные координаты в разрезанных шарнирах); M – матрица масс, k,Q – столбцы сил инерции и обобщенных сил Лагранжа, соответствующие силам реакций в разрезанных шарнирах; второе уравнение системы – алгебраические уравнения связей или условия замыкания разрезанных шарниров. Матрица G является матрицей Якоби уравнений связей после исключения из них вспомогательных координат.
В качестве выходных данных получены следующие параметры воздействия: амплитудно-временная характеристика вертикальной динамической нагрузки колеса автомобиля на дорожное покрытие и амплитудно-временная характеристика ускорения осей и кузова автомобиля.
В качестве критерия оценки динамического воздействия принят максимальный динамический коэффициент 95% обеспеченности, характеризующий уровень динамического воздействия на 5% протяженности участка, где возникают наибольшие нагрузки. Данный показатель позволяет при прогнозировании усталостного разрушения асфальтобетонного покрытия учитывать тот факт, что наиболее интенсивно процессы накопления усталостных повреждений происходят в зонах, подверженных максимальным динамическим перегрузкам.
(3)
В результате численного эксперимента для исследуемых транспортных средств были получены зависимости максимального динамического коэффициента 95% обеспеченности от скорости движения и осевых нагрузок транспортных средств на участках с различными показателями ровности.
На рисунках 1,2 показаны зависимости коэффициентов динамичности 95% обеспеченности для второй (наиболее загруженной) оси пятиосного автопоезда, совершающего проезд по участку автомобильной дороги со значением ровности по международному индексу IRI – 6,0, с различной полной массой и скоростями движения.
Рисунок 1–Зависимости максимального динамического коэффициента 95% обеспеченности от массы автопоезда для второй оси двухосного тягача с трехосным полуприцепом
Рисунок 2–Зависимости максимального динамического коэффициента 95% обеспеченности от скорости движения для второй оси двухосного тягача с трехосным полуприцепом
В представленной работе предлагается для расчета значений коэффициентов приведения транспортных средств к расчетному автомобилю использовать следующую формулу:
 | ((4) |
где Sn - коэффициенты приведения n-ой оси автомобиля к расчетной нагрузке;
т - количество осей автомобиля;
Qn – статическая нагрузка от колеса n-ой оси на покрытие, кН;
Qрасч– расчетная «статическая» нагрузка от колеса на покрытие, кН;
Кд95%n – динамический коэффициент 95% обеспеченности для j-ой оси автомобиля.
На основе полученных значений максимального динамического коэффициента 95% обеспеченности были построены зависимости коэффициентов приведения от скорости движения (рисунок 3,4) и осевой нагрузки транспортных средств на пяти участках автомобильной дороги, имеющих значение ровности по международному индексу IRI от 1,8 до 6,0. Полученные зависимости свидетельствуют о значительном росте значений коэффициента приведения транспортных средств к расчетной нагрузке с ухудшением ровности покрытия, которая в свою очередь изменяется в процессе эксплуатации автомобильной дороги.
Рисунок 3 –Зависимости коэффициента приведения транспортного средства к расчетной нагрузке для двухосного тягача с трехосным полуприцепом при различной полной загрузке от скорости движения на участках автомобильной дороги с показателями ровности по международному индексу IRI 1,8
Рисунок 4 – Зависимости коэффициента приведения транспортного средства к расчетной нагрузке для двухосного тягача с трехосным полуприцепом при различной полной загрузке от скорости движения на участке автомобильной дороги с показателями ровности по международному индексу IRI 6,0
В четвертой главе представлен анализ результатов экспериментальных исследований по оценке параметров воздействия на дорожную конструкцию наиболее распространённых многоосных транспортных средств; приведен сопоставительный анализ результатов экспериментальных исследований и имитационного моделирования, для подтверждения адекватности разработанных моделей.
Целью проведения экспериментальных исследований уровня динамического воздействия транспортных средств на дорожное покрытие являлось сопоставление и анализ результатов экспериментальных замеров с результатами численного эксперимента. При разработке методики проведения экспериментальных исследований необходимо было учесть то, чтобы результаты исследований были получены в той же форме, что и при исследованиях методом компьютерного моделирования. Данное обстоятельство дает возможность непосредственно сопоставить результаты моделирования и натурного эксперимента, что позволит установить степень достоверности полученных при моделировании данных. Наиболее информативным критерием оценки динамического воздействия является ускорение колебаний осей транспортных средств. Для регистрации непосредственного колебательного воздействия автомобиля на покрытие целесообразно использовать мобильный виброизмерительный комплекс, разработанный ДорТрансНИИ РГСУ.
Для осуществления экспериментальных исследований было выбрано 2 типа многоосных транспортных средства, наиболее распространённых на автомобильных дорогах РФ: трехосный грузовик и пятиосный автопоезд, состоящий из двухосного седельного тягача и трехосного полуприцепа. На вторую, третью ось и кузов трехосного транспортного средства, а так же на вторую, четвертую ось и кузов пятиосного автопоезда были установлены пьезокерамические виброакселерометры (рисунок 5).
Для того чтобы иметь возможность установить зависимость между полной массой транспортного средства и величиной оказываемого им на дорожную конструкцию динамического воздействия, проезд транспортных средств был осуществлён с массой в снаряженном состоянии(транспортное средство без груза) и с загрузкой (7 500 кг трёхосный грузовой автомобиль и 10 000 кг пятиосный автопоезд).
Для более адекватной оценки воздействия многоосных транспортных средств на дорожную конструкцию и дальнейшего сопоставления результатов замеров с результатами численного эксперимента была выбрана длина участка дороги протяженностью 500 метров.
Скорости движения транспортных средств составляли 40, 80, и 100 км/ч. Воздействие автомобилей на дорожную конструкцию при проезде с данными скоростями имеет различный динамический характер, связанный с кинетической энергией движущихся автомобилей, особенностями взаимодействия вращающегося колеса с покрытием, а также с изменением давления колеса на покрытие вследствие неровностей поверхности проезжей части.
Рисунок 5 – Общий вид многоосных транспортных средств при проведении экспериментальных замеров
В ходе опытно-экспериментальных работ регистрированы амплитудно-временные характеристики ускорений элементов автомобилей. Амплитудно-временная характеристика (АВХ) позволяет оценить максимальные амплитуды ускорения, образующиеся при проезде транспортных средств в местах установки датчиков (рисунок 6). Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ), полученная после обработки сигнала, позволяет выявить преобладающие частоты колебаний в спектре воздействия транспортных средств. Для количественной оценки интенсивности колебаний элементов автомобиля при проезде или имитационном моделировании проезда транспортного средства по участкам автомобильных дорог производились вычисление интегральной оценки (ИнтОц) в заданном диапазоне частот.
Проверка адекватности разработанной имитационной модели осуществлялась путем сравнения результатов, полученных при натурных испытаниях и методом компьютерного моделирования (рисунок 7, таблицы 4,5). Непосредственное сопоставление и анализ результатов моделирования и натурного эксперимента выявили достаточно хорошую сходимость получаемых на модели данных, что подтверждает достоверность разработанных моделей и достаточно высокую точность проводимых расчетов.
Таблица 4 – Сравнение характеристик АЧХ ускорения, полученных в результате экспериментальных замеров и при моделировании, для третьей оси трёхосного грузового автомобиля
| Показатели | |||||||||
| при V=40 км/ч | при V=80 км/ч | при V=100 км/ч | |||||||
| участок | Источник | Umax м/с2 на частоте | ИнтОц | Umax м/с2 на частоте | ИнтОц | Umax м/с2 на частоте | ИнтОц | ||
| «Азов-Староминская» | 23 км | Без груза | эксперимент | 11-12 | 236 | 9-11 | 473 | 11-12 | 630 |
| моделирование | 10-11 | 208 | 8-10 | 408 | 9-10 | 669 | |||
| С грузом | эксперимент | 10-11 | 223 | 9-11 | 388 | 9-11 | 710 | ||
| моделирование | 9-10 | 198 | 8-10 | 428 | 9-11 | 675 | |||
| 45 км | Без груза | эксперимент | 10-12 | 378 | 9-10 | 602 | 9-11 | 1236 | |
| моделирование | 9-11 | 294 | 9-10 | 570 | 9-11 | 1160 | |||
| С грузом | эксперимент | 10-11 | 342 | 10-11 | 671 | 10 | 1233 | ||
| моделирование | 9-10 | 293 | 9-11 | 619 | 9-10 | 1103 | |||
Таблица 5 – Сравнение характеристик АЧХ ускорения, полученных в результате экспериментальных замеров и при моделировании, для второй оси полуприцепа пятиосного автопоезда
| Показатели | |||||||||
| при V=40км/ч | при V=80км/ч | при V=100км/ч | |||||||
| участок | Источник | Umax м/с2 на частоте | ИнтОц | Umax м/с2 на частоте | ИнтОц | Umax м/с2 на частоте | ИнтОц | ||
| «Азов-Староминская» | 23 км | Без груза | эксперимент | 12-13 | 271 | 10-11 | 596 | 10-12 | 883 |
| моделирование | 12-14 | 213 | 9-10 | 589 | 9-11 | 920 | |||
| С грузом | эксперимент | 12 | 220 | 9-11 | 540 | 10 | 1289 | ||
| моделирование | 11-12 | 175 | 9-10 | 407 | 10 | 1172 | |||
| 45 км | Без груза | эксперимент | 12 | 297 | 11 | 840 | 12 | 1409 | |
| моделирование | 10 | 212 | 10 | 720 | 12 | 1303 | |||
| С грузом | эксперимент | 11 | 280 | 10-11 | 780 | 9-10 | 1572 | ||
| моделирование | 10-11 | 255 | 11-12 | 690 | 10-11 | 1438 | |||
| Элемент | АВХ | АЧХ |
| 2 ось |  |  |
| 3 ось |  |  |
| Кузов |  |  |
| Значения по оси X – время, с·103; по оси Z - амплитуда ускорения, м/с2 | Значения по оси X – частота, Гц; по оси Z - амплитуда ускорения, м/с2 |
Рисунок 6 – АВХ и АЧХ ускорения элементов трёхосного грузового автомобиля с массой в снаряженном состоянии при проезде по участку автомобильной дороги «Азов-Староминская» 23 км, со скоростью движения 100 км/ч
| Элемент | ЭСПЕРИМЕНТ | МОДЕЛЬ |
| 2 ось |  |  |
| 3 ось |  |  |
| Кузов |  |  |
Рисунок 7 – Сравнение результатов численного эксперимента и натурных замеров АЧХ ускорения элементов трехосного грузового автомобиля с массой в снаряженном состоянии на участке автодороги «Азов-Староминская» 45 км, со скоростью движения 100 км/ч
Значения по оси X – частота, Гц; по оси Z - амплитуда ускорения, м/с2
В пятой главе выведена формула, позволяющая при наличии данных о международном индексе ровности IRI рассчитать значение коэффициентов приведения транспортных средств к расчетной нагрузке. Разработана методика учета воздействия многоосных транспортных средств на дорожную конструкцию в зависимости от параметров скоростных режимов движения, распределения осевых нагрузок автомобилей и ровности дорожного покрытия для определения суммарного количества приложений расчетной нагрузки при проектировании строящихся и расчете остаточного ресурса эксплуатируемых нежестких дорожных одежд.
На основе зависимостей, полученных при обработке данных численного эксперимента (глава 3), была выведена формула, позволяющая при наличии данных о международном индексе ровности IRI рассчитать значение коэффициентов приведения транспортных средств к расчетной нагрузке.
(5)
где
V - скорость транспортного средства, км/ч; M – общая масса транспортного средства, тонн; b, c1, c2 –эмпирически полученные коэффициенты, зависящие от IRI.
а) численный эксперимент б) значения по функции Sm сум
Рисунок 8 – Зависимость коэффициента приведения транспортного средства к расчетной нагрузке двухосного тягача с трехосным прицепом от скорости движения и массы автомобиля на участке автомобильной дороги с IRI =1,8
Для расчета суммарного количества приложений расчетной нагрузки на участке автомобильной дороги предлагается методика, представленная на рисунке 9.
В главе приведен расчет суммарного количества приложений расчетной нагрузки за срок службы дорожной конструкции на участке автомагистрали М4 «Дон» с учетом скорости, осевых нагрузок транспортных средств и ровности дорожного покрытия. Срок службы дорожной конструкции с учетом динамического воздействия многоосных транспортных средств, рассчитанный по разработанной в диссертации методике, в 1,45 раза меньше нормативного, что свидетельствует о возможности преждевременного разрушения дорожной конструкции в процессе эксплуатации.
Рисунок 9 – Методика учета воздействия многоосных транспортных средств при расчете дорожной конструкции на стадии проектирования и определения остаточного ресурса дорожных одежд на стадии эксплуатации
На участке автомобильной дороги Азов-Староминская 23 км в 2006 году была произведена реконструкция. Начальная ровность участка по международному индексу IRI составляла 1.8. На 2009 год значение по IRI изменилось до 2,9. Рассчитанное по представленной методике суммарное количество приложений расчетной нагрузки с учетом изменения ровности и значений коэффициентов приведения транспортных средств к расчетной нагрузке показало необходимость проведения преждевременного капитального ремонта на этом участке в 2014 году. Своевременное восстановление ровности дорожного покрытия (со снижением индекса ровности IRI до 1,8) позволит обеспечить нормативный межремонтный срок службы дорожной одежды - 15 лет.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
- Определена динамика изменения состава грузового транспортного потока, скоростных режимов движения транспортных средств, осевых и полных нагрузок многоосных транспортных средств, а так же определено процентное распределение автомобилей с различной степенью загрузки в транспортном потоке.
- Проведено имитационное моделирование динамического воздействия многоосных транспортных средств различных конструктивных схем на дорожную конструкцию. Анализ результатов имитационного моделирования позволил сделать следующие выводы:
- динамическое воздействие многоосных транспортных средств зависит от ровности покрытия, скорости движения и массы транспортных средств. Существенное влияние на динамическое воздействие оказывает конструктивная схема автомобиля.
- значение динамического коэффициента на стадии начальной ровности покрытия меньше нормативного 1,3 и находится в пределах 1,05-1,15, а при неудовлетворительной ровности покрытия на стадии эксплуатации значительно превышает нормативное значение и может достигать значение 2;
- наибольшее разрушающее воздействие на дорожные конструкции оказывают многоосные автомобили в составе двухосного седельного тягача и полуприцепа с различным количеством осей, где полуприцеп фактически является рычагом, воздействующим на вторую ось автомобиля при проезде по автомобильной дороге;
- значение коэффициента приведения транспортных средств к расчетной нагрузке возрастает при увеличении скорости движения и осевых нагрузок автомобилей. Степень возрастания зависит от ровности покрытия участка автомобильной дороги, по которому движется транспортное средство;
- значение коэффициента приведения автомобилей возрастает в течение срока службы дорожной конструкции в связи с ухудшением эксплуатационных качеств дороги.
- Сопоставление результатов экспериментальных замеров воздействия многоосных транспортных средств с результатами численного эксперимента показали достаточно хорошую сходимость при различных параметрах замеров (разные скорости и массы транспортных средств при проезде по участкам с различными показателями ровности).
- Получена зависимость, позволяющая определить суммарный коэффициент приведения транспортного средства к расчетной нагрузке с учетом скорости движения и массы транспортных средств при заданной ровности покрытия.
- Разработана методика учета воздействия многоосных транспортных средств на дорожную конструкцию в зависимости от параметров скоростных режимов движения, распределения осевых нагрузок автомобилей и ровности дорожного покрытия для определения суммарного количества приложений расчетной нагрузки при проектировании строящихся и расчете остаточного ресурса эксплуатируемых нежестких дорожных одежд.
.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
Публикации в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях:
- Углова Е.В., Николенко Д.А., Конорев А.С. Методика оценки динамических перегрузок // Известия ОрелГТУ. Серия «Строительство. Транспорт». 2008. № 4/20 (551). С. 82-87.
- Углова Е.В. Конорев А.С. Учет динамического воздействия транспортного средства на нежесткие дорожные покрытия // Наука и техника в дорожной отрасли. 2011. № 1. С. 21-24.
- Оптимизация принимаемых решений при ремонте эксплуатируемых автомобильных дорог / А.С. Конорев [и др.] // Строительство и реконструкция. 2011. № 2. С. 76-82.
- Конорев А.С. Анализ характеристик транспортного потока для совершенствования методики учета нагрузок от транспортных средств при расчете дорожных конструкций //Вестник Волгогр. гос. архит.-строит. ун-та. Сер.: Стр-во и архит. 2011. Вып. 22(41). С. 26-32.
- Конорев А.С. Определение величины динамического воздействия транспортных средств на дорожную конструкцию для расчета значений коэффициентов приведения // Научный вестник Воронежского ГАСУ. Сер. : Стр-во и архит. 2011. Вып. № 4 (24). С. 118-128.
Публикации в других изданиях:
6 Углова Е.В., Конорев А.С., Акулов В.В. Учет воздействия транспортных средств при проектировании дорожных одежд нежесткого типа // Автомобильные дороги. 2012. № 2 (963). С. 108-111.
- Конорев А.С. Расчет остаточного ресурса дорожной одежды с учетом фактического коэффициента динамичности // Изв. Рост. гос. строит. ун-та. 2007. № 10. С. 381.
- Конорев А.С., Илиополов С.К. Параметры оценки динамического воздействия транспортных средств // «Строительство – 2007»: Междунар. науч.-практ. конф. Ростов н/Д: РГСУ. 2007. С. 17 – 18.
- Конорев А.С., Харламов Н.Н. Исследование нагрузок и состава транспортного потока юга России // «Строительство – 2009»: Междунар. науч.-практ. конф. Ростов-н/Д: РГСУ, 2009. С. 18 – 19.
- Мизонов В.В., Конорев А.С. Параметры определения эксплуатационного состояния элементов дорожной конструкции с использованием виброизмерительного комплекса //«Строительство – 2008»: Междунар. науч.-практ. конф. Ростов н/Д: РГСУ, 2009. С. 14 – 15.
- Конорев А.С., Николенко М.А., Акулов В.В. Многоосные транспортные средства в современном грузовом транспортном потоке // «Строительство – 2010»: Междунар. науч.-практ. конф. Ростов-н/Д: РГСУ, 2010. С. 27 – 28.
- Дровалева О.В., Конорев А.С. Шило О.А. Учет влияния характеристик транспортного потока при оценке усталостной долговечности асфальтобетонных покрытий // «Строительство – 2010»: Междунар. науч.-практ. конф. Ростов-н/Д: РГСУ. 2010. С. 26 – 27.
- Илиополов С. К., Конорев А.С. Расчет суммарного воздействия транспортных нагрузок современного потока грузовых автомобилей// «Строительство – 2010»: Междунар. науч.-практ. конф. Ростов-н/Д: РГСУ. 2010. С. 29 – 30.
- Николенко Д. А., Конорев А.С. Оценка транспортно-эксплуатационного состояния автомобильных дорог на период выполнения гарантийных обязательств подрядными организациями // «Строительство – 2010»: Междунар. науч.-практ. конф. Ростов н/Д: РГСУ, 2010. С. 30 – 32.
- Конорев А.С., Акулов В.В. Анализ тенденций расширения парка грузовых транспортных средств на автомобильных дорогах РФ // «Строительство – 2011»: «Строительство – 2010»: Междунар. науч.-практ. конф. Ростов-н/Д: РГСУ. 2011. С. 3 – 4.
- Илиополов С.К., Конорев А.С., Акулов В.В. Зависимость коэффициента динамичности для многоосных транспортных средств от скорости движения, полной массы автомобиля и ровности покрытия // «Строительство – 2011»: Междунар. науч.-практ. конф. Ростов-н/Д: РГСУ. 2011. С. 5 – 6.
- Оценка динамического воздействия транспортных средств на дорожную конструкцию / Е.В. Углова, С.К. Илиополов, А.С Конорев., В.В. Акулов // «Строительство – 2011»: Междунар. науч.-практ. конф. Ростов н/Д: РГСУ, 2011. С. 5 – 6.
- Конорев А.С., Акулов В.В. Учет динамического воздействия от транспортных средств на дорожную конструкцию во время движения, на стадии проектирования // Развитие дорожно-транспортного комплекса и строительной инфраструктуры на основе рационального природопользования. VI Всерос. науч.-практ. конф. студ., аспир. и молод. ученых. Омск, 2011. С. 3 – 7.
Подписано в печать 22.03.12. Формат 60х84 1/16. Бумага писчая. Ризограф.
Уч.-изд. л. 2,0. Тираж 120 экз. Заказ №2622.
Редакционно-издательский центр
Ростовского государственного строительного университета
344022, г. Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая, 162.
Отпечатано в КМЦ «КОПИЦЕНТР»
344006, г. Ростов-на-Дону, ул. Суворова, 19, тел. 247-34-88
