Учет динамического воздействия многоосных транспортных средств при расчете дорожных конструкций (стр. 1 )

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:

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени », заведующий кафедрой «Транспортное строительство»

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»

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 (, , 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	Kögel – GN 24
Трехосный тягач с двухосным полуприцепом		Renault – KERAX 400.34THD 70TZ123	МАЗ – 93В660
Трехосный тягач с трехосным полуприцепом		Renault – KERAX 400.34THD 70TZ123	Kögel – GN 24
Двухосный грузовой автомобиль с двухосным прицепом		МАЗ–	СЗАП-8357
Двухосный грузовой автомобиль с трехосным прицепом		МАЗ–	СЗАП-83053
Трехосный грузовой автомобиль с двухосным прицепом		МАЗ–	СЗАП-8357
Трехосный грузовой автомобиль с трехосным прицепом		МАЗ–	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 до 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 (Н×с/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)
-	-76.2
22 693	-31.8
26 753	-12.7
29 924	0.0
33 539	12.7
37 989	25.4
	76.2

а) б) в)

Сила (Н)	Отклонение (мм)
	-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)
	-63.5
22 693	-34.9
28 478	-12.7
31 147	0.0
34 429	12.7
41 993	38.1
	76.2

Уравнения движения систем тел в общем случае можно представить в следующем виде: