Учет динамического воздействия многоосных транспортных средств при расчете дорожных конструкций (стр. 2 )

(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.

Sm сум	Sm сум

 

M, т

M, т

V км/ч

V км/ч

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.

Срок службы дорожной одежды

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

1.  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.

2.  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.

3.  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) .

4.  Получена зависимость, позволяющая определить суммарный коэффициент приведения транспортного средства к расчетной нагрузке с учетом скорости движения и массы транспортных средств при заданной ровности покрытия.

5.  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:

1  , , Методика оценки динамических перегрузок // Известия ОрелГТУ. Серия «Строительство. Транспорт». 2008. № 4/20 (551). С. 82-87.

2  Учет динамического воздействия транспортного средства на нежесткие дорожные покрытия // Наука и техника в дорожной отрасли. 2011. № 1. С. 21-24.

3  Оптимизация принимаемых решений при ремонте эксплуатируемых автомобильных дорог / [и др.] // Строительство и реконструкция. 2011. № 2. С. 76-82.

4  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.

5  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 , , Акулов воздействия транспортных средств при проектировании дорожных одежд нежесткого типа // Автомобильные дороги. 2012. № 2 (963). С. 108-111.

7  Расчет остаточного ресурса дорожной одежды с учетом фактического коэффициента динамичности // Изв. Рост. гос. строит. ун-та. 2007. № 10. С. 381.

8  , Илиополов оценки динамического воздействия транспортных средств // «Строительство – 2007»: Междунар. науч.-практ. конф. Ростов н/Д: РГСУ. 2007. С. 17 – 18.

9  , Харламов нагрузок и состава транспортного потока юга России // «Строительство – 2009»: Междунар. науч.-практ. конф. Ростов-н/Д: РГСУ, 2009. С. 18 – 19.

10  , 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.

11  , , Акулов транспортные средства в современном грузовом транспортном потоке // «Строительство – 2010»: Междунар. науч.-практ. конф. Ростов-н/Д: РГСУ, 2010. С. 27 – 28.

12  , Шило влияния характеристик транспортного потока при оценке усталостной долговечности асфальтобетонных покрытий // «Строительство – 2010»: Междунар. науч.-практ. конф. Ростов-н/Д: РГСУ. 2010. С. 26 – 27.

13  , Расчет суммарного воздействия транспортных нагрузок современного потока грузовых автомобилей// «Строительство – 2010»: Междунар. науч.-практ. конф. Ростов-н/Д: РГСУ. 2010. С. 29 – 30.

14  , 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.

15  , Акулов 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.

16  , , Акулов 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.

17  Оценка динамического воздействия транспортных средств на дорожную конструкцию / , , А. С Конорев., // «Строительство – 2011»: Междунар. науч.-практ. конф. Ростов н/Д: РГСУ, 2011. С. 5 – 6.

18  , Акулов 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 № 000.

Редакционно-издательский центр

Ростовского государственного строительного университета

г. Ростов-на-Дону, .

Отпечатано в КМЦ «КОПИЦЕНТР»

г. Ростов-на-Дону,