Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса. Цель и задачи исследований 12
1.1 Анализ причин изменения эксплуатационно-технического состояния искусственного аэродромного покрытия 12
1.2 Опыт реконструкции жестких аэродромных покрытий асфальтобетонными слоями усиления 16
1.3 Анализ методов расчета асфальтобетонных слоев усиления на температурное воздействие 21
1.4 Выводы по главе 28
1.5 Цель и задачи исследований 29
2. Теоретические модели деформирования многослойного аэродромного покрытия при температурном воздействии 31
2.1 Теоретический анализ напряженно-деформированного состояния асфальтобетонного слоя усиления сборного аэродромного покрытия. 31
2.2 Физико-математическая модель формирования температурного поля многослойного аэродромного покрытия 43
2.3 Физико-математическая модель деформирования многослойного аэродромного покрытия при воздействии температуры 55
2.4 Выводы по главе 2 62
3. Вычислительная экспериментальная факторная модель напряженно-деформированного состояния асфальтобетонного слоя усиления сборных аэродромных покрытий при температурном воздействии 63
3.1 Численное моделирование напряженно-деформированного состояния многослойного аэродромного покрытия при температурном воздействии 63
3.1.1 Методика проведения численного эксперимента. Обоснование расчетной схемы и исходных данных 63
3.1.2 Анализ результатов моделирования
3.2 Регрессионная модель изменения температурного градиента на границе сращивания слоев
3.3 Регрессионная модель изменения напряженно-деформированного состояния трещинопрерывающей прослойки под воздействием градиента температуры
3.4 Выводы по главе
4. Экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния многослойного аэродромного покрытия при воздействии температуры
Результаты экспериментальных исследований и их анализ
Цели и задачи исследования.
Описание экспериментальной установки
Методика экспериментальных исследований
4.4 Выводы по главе
5. Практическое использование результатов исследований
5.1 Методика расчета трещинопрерывающей прослойки
5.2 Пример расчета трещинопрерывающей прослойки из асфальтобетона при усилении сборного аэродромного покрытия
5.3 Выводы по главе
Заключение
Список литературы
- Анализ методов расчета асфальтобетонных слоев усиления на температурное воздействие
- Физико-математическая модель формирования температурного поля многослойного аэродромного покрытия
- Методика проведения численного эксперимента. Обоснование расчетной схемы и исходных данных
- Методика экспериментальных исследований
Введение к работе
Актуальность темы. Безопасность полетов авиации напрямую зависит от эксплуатационно-технического состояния аэродромных покрытий, обеспечивающих безаварийные взлетно-посадочные операции, руление, стоянку и обслуживание воздушных судов.
В настоящее время на основной части аэродромов государственной авиации преобладают сборные покрытия из предварительно напряженных железобетонных плит типа ПАГ толщиной 14, 18 и 20 см, построенные в 70 - 80-х годах ХХ века. Длительный период эксплуатации, критическое недофинансирование, выполнение мероприятий только текущего содержания, привели к несоответствию технического состояния нормативным требованиям. С целью исправления сложившейся ситуации Приказом Министерства транспорта РФ и Министра обороны РФ от 29 мая 2008 г. № 003/0021 была утверждена «Концепция развития аэродромной (аэропортовой) сети Российской Федерации на период до 2020 года», которая предусматривает поэтапное строительство, реконструкцию и капитальный ремонт действующей аэродромной сети.
Восстановление эксплуатационной пригодности жестких сборных аэродромных покрытий производится заменой отдельных элементов на новые при текущем ремонте, либо усилением слоем из предварительно напряженных железобетонных плит или асфальтобетона при капитальном ремонте.
В РФ выпуск железобетонных плит типа ПАГ, удовлетворяющих требованиям ГОСТ, осуществляют несколько заводов ЖБИ, суммарная производственная мощность которых не в состоянии обеспечивать возрастающие потребности государственной авиации. Кроме этого, стоимость изделия с учетом транспортных расходов по доставке в отдаленные районы страны значительно возрастает. В результате финансовые затраты на производство ремонтов сопоставимы с затратами на строительство нового аэродромного покрытия.
Сравнительный анализ вариантов реконструкции сборного покрытия площадью 1000 м2 из плит ПАГ-14V аэродрома Комсомольск-на-Амуре, показал, что экономический эффект при реконструкции асфальтобетонным слоем усиления достигает 3,3 млн. руб. Однако широкому применению асфальтобетона в области реконструкции сборных покрытий препятствует, главным образом, развитие в процессе эксплуатации отраженных трещин. Основной причиной образования отраженных трещин в слое усиления являются термические деформации бетонных плит аэродромного покрытия. В процессе резкой смены температуры воздуха в асфальтобетоне над швом или трещиной происходит локализация внутренних напряжений, которые суммируются с температурными напряжениями самого асфальтобетона и с напряжениями, возникающими от действия колесной нагрузки. В результате в верхнем слое в местах с наименьшими параметрами толщины и прочности образуются отраженные трещины.
Требования СП 121.13330.2012 «Аэродромы» к проектированию асфальтобетонных слоев усиления жестких аэродромных покрытий регламентируют учет величины повторяемости суммарных температурных напряжений, при этом методика расчета температурного режима не представлена, учет температурных нагрузок производится с помощью коэффициентов условий работы, что не позволяет количественно проанализировать их влияние на напряженно-деформированноесостояние элементов покрытия.
Таким образом, разработка научно-обоснованного метода расчета параметров асфальтобетонной конструкции усиления сборных аэродромных покрытий на воздействие температуры, является весьма актуальной задачей.
Исследования выполнены в соответствии с государственным заказом инженерно-аэродромной службы ГК ВВС в рамках научно-исследовательских работ шифр «Геосет-
4 ка» номер государственной регистрации 1609160 от 19.12.2011 г., шифр «Градиент» номер государственной регистрации 1610164 от 19.01.2015 г.
Объектом диссертационного исследования является асфальтобетонная конструкция усиления сборных аэродромных покрытий из предварительно напряженных железобетонных плит ПАГ.
Предметом диссертационного исследования является изменение напряженно-деформированного состояния асфальтобетонной конструкции усиления сборных аэродромных покрытий при воздействии нестационарной температуры.
Цель - разработка методики расчета асфальтобетонной конструкции усиления на основе моделей динамики изменения напряженно-деформированного состояния сборного железобетонного аэродромного покрытия усиленного асфальтобетоном в условиях воздействия нестационарных температурных полей и динамически изменяющихся термоупругих характеристик материалов слоев.
Основные задачи работы:
установить зависимость изменения растягивающих напряжений в зоне контакта асфальтобетонной конструкции усиления и сборного покрытия от градиента температуры;
на основе анализа и обобщения условий формирования температурных полей в сборном аэродромном покрытии научно-теоретически обосновать физико-математическую модель развития деформации асфальтобетонной конструкции усиления указанного покрытия при воздействии нестационарной температуры;
разработать алгоритмы решения конечно-элементных задач развития температурных полей и деформации многослойных аэродромных покрытий при воздействии температуры и провести верификацию программного комплекса COMSOL Multiphysics на предмет использования в качестве инструмента численного моделирования работы многослойного аэродромного покрытия при температурном воздействии;
установить зависимости изменения температурного градиента в зоне контакта слоев и растягивающих напряжений на подошве трещинопрерывающей прослойки (ТПП) от внешних факторов, с учетом их значимости;
разработать экспериментальную установку для натурного исследования напряженно-деформированного состояния (НДС) многослойного аэродромного покрытия при воздействии природно-климатических факторов для обеспечения адекватности и достоверности проведенной верификации программного комплекса COMSOL;
на основе совокупности предложенных физико-механических моделей разработать методику расчета параметров асфальтобетонной конструкции усиления сборных аэродромных покрытий, с учетом температурных деформаций.
Научная новизна работы:
научно-теоретически обоснована физико-математическая модель формирования температурного поля в многослойном аэродромном покрытии при отрицательном градиенте температуры и на ее основе получена регрессионная зависимость температурного градиента в зоне контакта слоев от температуры наружного воздуха, теплопроводности и толщины слоя усиления;
разработана физико-математическая модель деформирования асфальтобетонной конструкции усиления при воздействии температурного градиента с учетом термоупругих характеристик материалов слоев и на ее основе получена зависимость изменения растягивающих напряжений на подошве ТПП, обусловленных амплитудой колебания температуры воздуха, модулем упругости и толщиной конструкции усиления, обеспечившая разработку методики расчета параметров асфальтобетонной конструкции усиления сборных аэродромных покрытий с учетом температурных деформаций.
5 Научная значимость заключается:
в научно-теоретическом обосновании физико-математической модели формирования температурного поля многослойного аэродромного покрытия при отрицательном градиенте температуры, используемой для установления регрессионной зависимости температурного градиента в зоне контакта слоев от температуры наружного воздуха, теплопроводности и толщины слоя усиления;
в разработке физико-математической модели деформации асфальтобетонной конструкции усиления под воздействием температурного градиента с учетом термоупругих характеристик материалов слоев, примененной для установления зависимости изменения растягивающих напряжений на подошве ТПП, обусловленных амплитудой колебания температуры воздуха, модулем упругости и толщиной конструкции усиления.
Практическая значимость работы заключается в разработке методики расчета параметров ТПП асфальтобетонной конструкции усиления сборных аэродромных покрытий, замедляющей процесс отраженного трещинообразования, с учетом температурных деформаций.
Методология и методы исследования. Теоретической и методологической основой диссертационного исследования послужили современные положения теории и практики применения асфальтобетона в качестве слоя усиления жестких покрытий, разработки отечественных и зарубежных ученых в области автомобильного и аэродромного строительства. В работе использовалось численное моделирование с использованием лицензионных программных средств.
Положения, выносимые на защиту:
зависимость изменения растягивающих напряжений на границе сращивания асфальтобетонной конструкции усиления и сборного железобетонного покрытия, от значения температурного градиента в зоне контакта с учетом динамики изменения тепло-физических свойств материала;
физико-математическая модель формирования температурного поля в многослойном аэродромном покрытии при отрицательном градиенте температуры, используемая для установления регрессионной зависимости температурного градиента в зоне контакта слоев от температуры наружного воздуха, теплопроводности и толщины слоя усиления;
физико-математическая модель деформирования асфальтобетонной конструкции усиления при воздействии температурного градиента с учетом термоупругих характеристик материалов слоев, применяемая для установления зависимости изменения растягивающих напряжений на подошве ТПП, обусловленных амплитудой колебания температуры воздуха, модулем упругости и толщиной конструкции усиления, обеспечившая разработку методики расчета параметров асфальтобетонной конструкции усиления сборных аэродромных покрытий с учетом температурных деформаций;
результаты натурного исследования НДС многослойного аэродромного покрытия при воздействии природно-климатических факторов и верификация программного комплекса COMSOL.
Достоверность полученных результатов, научных положений, выводов и рекомендаций, приведенных в работе, подтверждается использованием фундаментальных положений отечественной и зарубежной науки; соблюдением основных принципов физического и математического моделирования; применением теоретически обоснованных расчетных схем; сопоставимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований, численного моделирования.
Апробация результатов диссертационного исследования. Основные результаты исследований и научных разработок докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-практической конференции (Воронеж, ВАИУ, 2011); Межвузовской научно-
практической конференции (Воронеж, ВУНЦ ВВС «ВВА», 2012, 2013); Всероссийской научно-практической конференции «Академические Жуковские чтения» (Воронеж, ВУНЦ ВВС «ВВА», 2013), Региональной научно-технической конференции «Инновационные материалы в современном строительстве» (Воронеж, ВУНЦ ВВС «ВВА», 2014), Всероссийской научной конференции «Градостроительство. Инфраструктура. Коммуникации» (Воронеж, ВГАСУ, 2014), VII Международной научно-практической конференции «Отечественная наука в эпоху изменений: постулаты прошлого и теории нового времени» (Екатеринбург, март 2015), II Международной научно-практической конференции «Технические науки: тенденции, перспективы и технологии развития» (г. Волгоград, октябрь 2015); Всероссийской научно - практической конференции «Актуальные проблемы инженерно-аэродромного обеспечения базирования авиации в современных условиях и пути их совершенствования» (Воронеж, ВУНЦ ВВС «ВВА», 2015).
Внедрение научных результатов диссертации. Основные результаты исследований реализованы в отчетных материалах научно-исследовательской работы шифр «Геосетка», в ходе разработки варианта проектного решения асфальтобетонной конструкции усиления участка аэродромного покрытия из плит ПАГ-14 на аэродроме государственной авиации в Ленинградской области и в учебном процессе факультета инженерно-аэродромного обеспечения ВУНЦ ВВС «ВВА» (г. Воронеж).
Личный вклад соискателя в решение исследуемых задач заключается в обобщении, систематизации и развитии теоретических положений рассматриваемых вопросов, получение и анализ результатов исследований, предложение методики расчета параметров асфальтобетонной конструкции усиления сборных аэродромных покрытий на воздействие механической нагрузки от колесной опоры воздушного судна с учетом температурных деформаций.
Публикации. Результаты исследований, отражающие основные положения диссертационной работы, изложены в 10 научных статьях, из них 3 в российских рецензируемых научных журналах и изданиях.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 123 наименований и 4 приложений. Основная часть работы изложена на 140 страницах машинописного текста, содержащего 55 рисунков и 18 таблиц, приложения изложены на 36 страницах.
Анализ методов расчета асфальтобетонных слоев усиления на температурное воздействие
Как правило, нарушение эксплуатационно-технического состояния покрытий является следствием не одной, а целого комплекса причин. Интенсивность изменения эксплуатационных показателей зависит от внешних факторов и параметров аэродромного покрытия. Правильный учет всех воздействующих факторов, позволяет обеспечить требуемую долговечность при минимальных затратах сил и средств на эксплуатационное содержание.
Изучению работы аэродромных покрытий в различных условиях посвящены работы отечественных ученых А.П. Виноградова [11, 12], Г.И. Глушкова [21, 22], Л.И. Горецкого [27], Б.И. Демина [34, 35], В.А. Кульчицкого [49, 50], Н.В. Свиридова [86], А.П. Степушина [93, 94, 95].
В период всего жизненного цикла аэродромное покрытие воспринимает: – силовые нагрузки, возникающие от давления колесных опор воздушных судов и обслуживающих транспортных средств, вызывающие вертикальные и горизонтальные напряжения в конструктивных слоях покрытия; – непрерывные, постоянно изменяющиеся природно-климатические воздействия внешней окружающей среды (температура воздуха; количество и распределение по сезонам года осадков, промерзание грунтов, режим снегового покрова, силы, направления и продолжительности преобладающих ветров, облачность, глубина промерзания грунта и т.д.); – высокоскоростные и высокотемпературные воздействия газовых струй реактивных двигателей воздушных судов, тепловых машин и др. Нагрузки и воздействия, оказывающие влияние на верхний слой покрытия можно классифицировать по природе их происхождения на: производственно-технологические, механические, природно-климатические, эксплуатационные.
Производственно-технологические нагрузки и воздействия определяются технологией производства строительно-монтажных работ и уже на стадии строительства закладывают основные технико-эксплуатационные показатели конструкции аэродромного покрытия. Нарушения, допущенные в технологии строительства, ведут к появлению различного рода дефектов и снижению эксплуатационной пригодности аэродромного покрытия. Данные нагрузки имеют крайне низкую степень определенности и подлежат учету с помощью некоторых условных коэффициентов.
Механические нагрузки обусловлены воздействием колесной нагрузки воздушных судов на покрытие и направлены как вертикально (взлет, посадка, руление и стоянка), так и горизонтально (торможение). Механические нагрузки имеют высокую степень определенности и являются основными исходными параметрами при проектировании аэродромных покрытий.
Искусственное аэродромное покрытие представляет собой слоистую систему, особенностью которой является относительно большая площадь контакта слоев покрытия между собой и с естественным грунтовым основанием, некоторое заглубление, абсолютно открытая поверхность верхнего слоя и, обусловленное этим, постоянный лучисто-конвективный тепло- и массообмен. В связи с этим, на изменение НДС аэродромных покрытий большое влияние оказывает непрерывные природно-климатические воздействия. Интенсивность влияния природно-климатических воздействий обусловлена районом размещения аэродрома. Данные воздействия имеют высокую степень неопределенности и в нормах проектирования СП 20.13330.2011. «Нагрузки и воздействия» [90] учитываются косвенно. Расчетные параметры температуры указаны только для января и июля, что недостаточно при нормировании внешнего теплового воздействия. Ведомственным документом СП 121.13330.2012 «Аэродромы» [91] регламентирован учт повторяемости суммарных температурных напряжений, хотя сама методика расчета температурного режима не представлена. Предлагается производить учет температурных нагрузок с помощью коэффициентов условий работы, что не позволяет количественно оценить их влияние на эксплуатационно-техническое состояние элементов покрытия. Зарубежные авторы [84] предлагают температурные нагрузки не классифицировать, а рассматривать отдельно для каждого случая.
К эксплуатационным воздействиям относятся: тепловые (тепловой удар) и механические нагрузки от воздействия газовых струй при работе авиационных двигателей ВС и тепловых машин, антигололедных реагентов и ГСМ. Данные воздействия оказывают непосредственное влияние на верхний слой покрытия, ухудшая его эксплуатационные показатели. Расчет тепловых полей, напряженно-деформированного состояния с учетом параметров газовых струй и проектирование инженерных мероприятий по учету эксплуатационного воздействия, производится по методике В.Е. Тригони [102].
Проведенный анализ показывает, что при проектировании аэродромных покрытий объективно учтена только механическая нагрузка, имеющая высокую степень определенности, остальные воздействия характеризуются коэффициентом условия работы. Это объясняется сложностью комплексного учета всех физических процессов, происходящих в покрытии. Однако представляется возможным дифференцировать подход к проверке работоспособности запроектированной конструкции на воздействие каждого фактора в отдельности, в частности, температуры и механической нагрузки. 1.2 Опыт реконструкции жестких аэродромных покрытий асфальтобетонными слоями усиления
Усиление жестких покрытий асфальтобетоном получило широкое распространение, как в дорожной отрасли, так и при реконструкции аэродромных покрытий. В частности, асфальтобетон использовался при реконструкции аэродромов Хабаровска, Ханты-Мансийска, Ярославля, Смоленска, Новосибирска, Саранска, Элисты, Воронежа и др., строительства перронов в аэропортах «Шереметьево», «Домодедово», в Челябинске и др. [49, 60, 61]. Это обусловлено рядом его преимуществ по сравнению с цементобетонными слоями усиления: более низкой материалоемкостью, сжатыми сроками возведения, стойкостью к воздействиям агрессивной среды, достаточной шероховатостью, высокой ремонтопригодностью и меньшими затратами при достаточно высоких эксплуатационных качествах. Несомненным достоинством асфальтобетонных покрытий являются возможность ресайклинга, полной механизации процессов изготовления и укладки смеси, быстрым вводом покрытия в эксплуатацию, а также возможностью проведения ремонта аэродромного покрытия без прекращения летной эксплуатации, в условиях высокой интенсивности полетов. В совокупности это способствует снижению эксплуатационных затрат на содержание летных полей.
Физико-математическая модель формирования температурного поля многослойного аэродромного покрытия
Для нахождения закономерности распределения температуры по толщине определим граничные и начальные условия.
Начальная температура 7п (К 0) в любой точке А,- по глубине конструкции покрытия составит [62]: где Тв(т) - средняя температура воздуха за период Ат, С; Rп - тепловое сопротивление, характеризующее теплообмен на поверхности покрытия, (м2град)/Вт; Тг - температура грунтового основания на уровне подошвы последнего не грунто 48 вого слоя покрытия, С; / - номер конструктивного слоя покрытия; п - количество негрунтовых слоев покрытия; Дн - тепловое сопротивление слоев, расположенных выше глубины К часград-м2/Вт; R - суммарное тепловое сопротивление всех слоев аэродромной конструкции и грунтовых слоев, чградм2/Вт. Граничные условия: - амплитуда колебаний температуры на поверхности покрытия определяет ся закономерностью изменения температуры воздуха и результирующим тепло вым потоком [85]: W1 (0, ) =-([гп (0,г)-в (г)] + б (г)-/ ); (2.25) где Тп (О, г) - суточное изменение температуры поверхности покрытия, оС; QRES (V) -результирующий тепловой поток, воздействующего на верхний слой покрытия за период Ат, Вт/м2; /эф - величина эффективного излучения поверхности аэродромного покрытия, Втч/м2; - формирование нестационарных неоднородных температурных полей на границах контактов слоев покрытия и в толще конструкции при транзите тепла от поверхности покрытия к подошве и в обратном направлении (в зависимости от времени суток) непосредственно происходит за счет кондуктивного (qк (г)) пере мещения тепла. При этом допускаем, что между слоями обеспечивается идеаль ный тепловой контакт, физико -механические характеристики материалов различ ны для каждого слоя: \дТ1 (И1,т) = А1+1дТ1+1(0,т) ; dh dh – колебания температуры конструктивных слоев происходит до некоторой глубины грунтового естественного основания: г г } = const. (2.27)
Динамика изменения средней температуры воздуха Tв(т) за период Лг, описывается уравнением Горецкого Л.И. [27]: TJ(Y) = T в + A в COS2(Y -15) / 24, (2.28) где Тв - среднесуточное значение температуры воздуха, равная половине суммы максимальной и минимальной температуры в течение суток, С; Ав - амплитуда колебания температуры, равная половине разности максимальной и минимальной температуры в течение суток, С; г- реальное физическое время, ч; 15 - наиболее теплый час суток, ч; 24 - число часов в сутках.
Суточное изменение температуры поверхности покрытия, вызванное изменением температуры окружающего воздуха составит [27]: T п (0,т) = T в (т) + п I K п (2.29) СР ан где фп - коэффициент поглощения солнечной радиации, являющийся величиной переменной во времени, и зависящий от степени деградации верхнего слоя покрытия; / - интенсивность солнечного облучения, зависящая от северной широты, месяца и часа суток; Кп - коэффициент, учитывающий ослабление солнечного облучения, вследствие запыленности приземной атмосферы воздуха, на аэродромах равный примерно 0,6 - 0,65; ан - коэффициент теплоперехода, равный в среднем 20 ккал/(м2чград).
Результирующий тепловой поток, комбинирующий теплообмен на поверхности аэродромного покрытия QRES (Г) вычисляется путем сложения радиационного теплового потока /R (Т), теплового потока солнечной радиации qs (т) и конвективного теплового потока qc (г): ORE? (О = R(T) + %(т) + Яс(тУ С2-30)
Плотность потока суммарной солнечной радиации qs (г), поглощенного горизонтальной поверхностью аэродромного покрытия рассчитывается по формуле [85]: лучей на поверхность аэродромного покрытия, град.; п -облачность в долях единицы;
В дневное время, нагреваемая воздействующим излучением, поверхность аэродромного покрытия, подвержена охлаждению ветровыми потокам (вынужденный конвективный теплообмена). Величина конвективного теплообмена существенно зависит от скорости ветра и определяется согласно закону Ньютона [103]: Чс(т) = ас[Тсвр(т)-Тп(0,т)], (2.36) где ac=5,S + 4,hV - коэффициент конвективной теплоотдачи между окружающим воздухом и наружной верхней поверхностью; V, Vm - средняя скорость ветра на высоте Я и высоте флюгера Нк (фиксируемый метеопараметр [92]), V = Vm (H/Hm)k; к - параметр, характеризующий степень неровности местности (к = 0,15 - ровная открытая местности 103]).
Падающая солнечная радиация частично отражается от наружной поверхности покрытия, которая, в свою очередь, обладает собственным излучением (7Эф). Величина эффективного излучения поверхности аэродромного покрытия вычисляется по формуле: Представленная физико-математическая модель температурного режима аэродромного покрытия при воздействии нестационарных природно-климатических факторов в полной мере описывает нестабильное тепловое состояние многослойной конструкции.
Решение уравнения (2.22) при заданных начальных (2.24) и граничных (2.25, 2.26, 2.27) условиях производим методом конечных элементов (МКЭ), используя модель процесса теплопередачи радиационно-кондуктивного теплообмена для /-го элемента [23, 108]:
Процесс образования трещин в асфальтобетонных слоях усиления можно описать с использованием различных теорий: теории упругости; теории, основанной на критерии Мизеса; метода Шмидта; теории, разработанной в центральной лаборатории мостов и дорог Франции и др. [7, 54, 79]. Указанные теории в той или иной степени учитывают градацию состояния асфальтобетона от вязко-упругого до хрупкого.
Моделирование НДС многослойного аэродромного покрытия в условиях градиента отрицательных температур производим путем решения квазистатической задачи термоупругости. Модельное представление аэродромного покрытия -многослойный упругий пакет, лежащий на жестком основании. Пакет состоит из асфальтобетонного слоя и трещиновато-блочного основания, инициатора трещин.
В общем случае, при температурно зависимом НДС трехмерного твердого тела, свободного от внешних механических воздействий (объемные силы не учитываются), возникают перемещения u,vи w [100].
При модельном представлении в аэродромном покрытии выделяется плоскость единичной толщины dh (рисунок 2.8). Допущение: мгновенная температура dT в момент времени dx, ввиду малой толщины плоскости стационарна (Т н = const). Поскольку размеры рассматриваемых единичных плоскостей в плане многократно превышают толщину, то перемещения любой точки будут происходить исключительно вдоль осей хиу, а перемещениями вдоль оси h можно пренебречь:
Методика проведения численного эксперимента. Обоснование расчетной схемы и исходных данных
По результатам проведения вычислительного эксперимента получена регрессионная зависимость градиента температуры на границе сращивания асфальтобетонного слоя и бетонного покрытия от теплопроводности асфальтобетона, толщины слоя усиления и амплитуды колебания температуры воздуха:
Оценка полученной регрессионной модели по критерию Фишера F = 50,839 Fкр = 4,41 и коэффициенту детерминации R2 = 0,99 0,75 показала ее адекватность и работоспособность.
Анализ регрессионной зависимости (3.4) позволяет оценить влияние исследуемых факторов на величину АГгр. Из коэффициентов при парных переменных, переменных первой степени и квадратичных наибольшее влияние на величину температурного градиента оказывает теплопроводность материала. Совместное воздействие теплопроводности асфальтобетона и амплитуды колебания температуры воздуха способствует увеличению показателя Л7пгр.
Однако, анализ графиков (рисунок 3.14), построенных с использованием выражения (3.4), показывает, что значительные температурные колебания, на границе сращивания слоев Л7пгр, происходят при уменьшении толщины асфальтобетонного слоя усиления или увеличении амплитуды колебания воздушной среды (рисунок 3.14, а, б). При этом зависимости носят ярко выраженный линейный характер. Теплопроводность асфальтобетонного слоя усиления, при фиксированных средних значениях толщины слоя усиления и амплитуды воздуха существенного влияния на температурный градиент Л 7пгр не оказывает ввиду малого своего значения (рисунок 3.14, в).
Рассмотрим пример определения растягивающих напряжений в асфальтобетонном слое усиления толщиной 10 см по плитам ПАГ-14 для II дорожно-климатической зоны с использованием выражения (2.19) и (3.4). Исходные данные для расчета приведены в таблице
Предел прочности асфальтобетона на растяжение при изгибе R0 9,8 МПа [74]. Условие (2.1) выполняется (0,692 9,81,0), по предварительным расчетам, целостность слоя усиления не нарушена.
Полученное значение соответствует усредненному нормальному напряжению в теле асфальтобетонного слоя усиления и равномерно распределено по площади плиты. Фактически, нормальные напряжения аналогично касательным напряжениям возрастают от центра плиты к краю, достигая максимального значения в районе шва. Таким образом, в районе шва в связи с уменьшением толщины конструкции будет наблюдаться возрастание напряжений, и повышаться вероятность превышения предела прочности.
Выводы, приведенные в главе 1, результаты численного моделирования п.п. 3.1.2 позволяют утверждать, что увеличение толщины асфальтобетонной конструкции усиления сборного аэродромного покрытия при воздействии нестационарной температуры, приводит к замедлению процесса образования отраженных трещин. Увеличение толщины асфальтобетонного слоя целесообразно реализовать применением трещинопрерывающей прослойки из пористого крупнозернистого асфальтобетона. Расчетная схема конструкции усиления представлена на рисунке 3.15 [67].
Исходные данные, допущения, начальные и граничные условия, физико-механические характеристики материалов слоев приняты аналогично п.п. 3.1.1. Верхний слой износа из плотного мелкозернистого асфальтобетона назначаем толщиной 5 см. Физико-механические характеристики ТПП из пористого крупнозернистого асфальтобетона на битуме БНД 60/90 приведены в таблице 3.8.
Варьируемыми параметрами, непосредственно оказывающими влияние на величину напряжений в зоне контакта сборного аэродромного покрытия и асфальтобетонной конструкции усиления, назначили модуль упругости Eтпп и толщину Hтпп. Диапазон варьирования для Етпп составил 14003600 МПа [74], для Нтпп - 80300 мм.
Результаты моделирования показывают, что максимальные напряжения T в ТПП концентрируются над поперечным швом сборного аэродромного покрытия (рисунок 3.16), по остальной площади распределены равномерно, что объясняется собственными температурными напряжениями.
Увеличение модуля упругости Eтпп при фиксированном значении толщины Hтпп приводит к резкому возрастанию величины растягивающих напряжений T на подошве ТПП (рисунок 3.17). Например, увеличение модуля упругости Eтпп с 1,4103 до 3,6103 МПа при Hтпп = 160 мм, привело к возрастанию T с 2,27 до 5,38 МПа.
Увеличение толщины Hтпп при фиксированном значении модуля упругости Eтпп сопровождается нелинейным значительным снижением величины напряжений T (рисунок 3.18). Увеличение толщины прослойки Hтпп с 80 до 240 мм при Eтпп = 2,5103 МПа приводит к уменьшению величины T с 9,75 до 2,32 МПа.
При уменьшении толщины ТПП конструкция усиления работает главным образом в растянутой зоне, с концентрацией напряжений на границе контакта ТПП и жесткого основания.
С увеличением толщины ТПП напряжения распределяются в теле материала по глубине и в течение суток возникают как растягивающие, так и сжимающие напряжения. Граница нулевых напряжений проходит в теле ТПП, а работа ТПП обеспечивает нивелирование напряжений с 9,75 до 1 МПа на границе с асфальтобетонным слоем износа. В зависимости от времени суток асфальтобетонный слой износа работает на растяжение или сжатие, при этом напряжения не превышают 2 МПа. Таким образом, исключается возникновение критических напряжений в асфальтобетонном слое износа, следовательно, образование и развитие отраженной трещины.
Для оценки влияния модуля упругости Eтпп, толщины Hтпп и величины амплитуды колебания температуры воздуха Tв на величину нормальных растягивающих напряжений T в зоне контакта железобетонного покрытия с ТПП, был проведен вычислительный активный эксперимент. Функция отклика описывается выражением: = f (Eтпп, Hтпп, Tв) = T.
Нелинейная связь между управляемыми входными параметрами и функцией отклика, описывается квадратичной функцией (3.1) [104]. Ротатабельный центральный композиционный униформ-план представлен в таблице 3.10.
Методика экспериментальных исследований
Условие прочности не выполняется, толщина ТПП не обеспечит удовлетворительную работу асфальтобетонной конструкции усиления при совместном воздействии механической нагрузки и температуры, следовательно, необходимо провести корректировку толщины или модуля упругости ТПП и повторить расчет. 1. Разработана методика расчета ТПП асфальтобетонной конструкции усиления сборных аэродромных покрытий на воздействие механической нагрузки от колесной опоры ВС и нестационарной температуры. 2. Предлагаемая методика учитывает физическую нелинейность материалов конструктивных слоев, возникновение и накопление пластических деформаций в процессе эксплуатации и под воздействием нестационарного температурного поля, с учетом термоупругих характеристик материала.
Исследования работы сборного аэродромного покрытия усиленного слоями асфальтобетона в условиях меняющегося НДС в результате воздействия температуры позволили сделать следующие выводы:
1. Научно-теоретически обоснована и аналитически подтверждена зависи мость растягивающих напряжений в зоне контакта асфальтобетонной конструкции усиления и сборного железобетонного основания от градиента температуры, отлич ная от существующих тем, что в качестве деформационной характеристики ис пользуется секущий модуль, а в качестве характеристики температурного режима – градиент температуры на границе сращивания слоев. Зависимость обеспечивает исследование НДС указанного покрытия при динамически изменяющемся, вслед ствие температурного воздействия, модуле упругости, и предварительную оценку температурной трещиностойкости асфальтобетонного слоя усиления.
2. На основе анализа и обобщения условий формирования температурных полей в аэродромном покрытии разработана физико-математическая модель температурного режима многослойного аэродромного покрытия при сложных граничных условиях: учитывается результирующий тепловой поток, формируемый солнечной радиацией, радиационным и конвективным тепловыми потоками; кон-дуктивное перемещение тепла; закономерность изменения температуры воздуха. Модель обеспечивает получение изополей температуры в плоскости и распределение температуры по глубине многослойного аэродромного покрытия.
3. Научно-теоретически обоснована физико-математическая модель деформирования многослойного аэродромного покрытия свободного от механической нагрузки при воздействии нестационарной отрицательной температуры, отличающаяся от существующих моделей тем, что учитывает термоупругие характеристики материалов слоев. Модель обеспечивает получение изополей нормальных и касательных напряжений, обусловленных градиентом температуры слоев, в плоскости аэродромного покрытия.
4. Предложены алгоритмы и разработаны методические указания по применению программного комплекса COMSOL для численного моделирования нестационарного температурного режима и напряженно-деформированного состояния многослойного аэродромного покрытия при воздействии природно-климатических фак 128 торов. Результаты, полученные в ходе верификации программного комплекса COM-SOL, коррелируются с результатами натурного эксперимента. Максимальные расхождения в пределах 23% объясняются ограниченными возможностями инструментальных измерений в ходе натурного эксперимента и допущениями, принятыми в физико-математических моделях.
5. На основе предложенных моделей по результатам полнофакторного экс перимента впервые получены регрессионные зависимости температурного гради ента в зоне контакта слоев от температуры наружного воздуха, теплопроводности и толщины слоя усиления, а также зависимости растягивающих напряжений на подошве трещинопрерывающей прослойки от амплитуды колебаний температуры воздуха, модуля упругости и толщины трещинопрерывающей прослойки.
6. При помощи разработанной экспериментальной установки в натурных условиях установлены: распределение температурного поля в теле аэродромного покрытия; значения нормальных напряжений на поверхности и на границе сращивания слоев; значения касательных напряжений в зоне контакта слоев. Полученные результаты обеспечили адекватность и достоверность проведенной верификации программного комплекса COMSOL на предмет использования в качестве инструмента численного моделирования работы многослойного аэродромного покрытия при температурном воздействии.
7. Впервые разработана методика двухэтапного расчета параметров асфальтобетонной конструкции усиления сборных аэродромных покрытий. На первом этапе производится расчет толщины и модуля упругости ТПП на воздействие механической нагрузки от колесной опоры воздушного судна с учетом физической нелинейности материалов конструктивных слоев, а на втором этапе – проверка запроектированной конструкции на температурное воздействие с учетом динамически изменяющегося модуля упругости.
Дальнейшие исследования целесообразно продолжить в направлении: – изучение влияния знакопеременных температур воздуха на изменение структуры асфальтобетона и НДС слоев усиления сборных аэродромных покрытий; - изменение НДС асфальтобетонной конструкции усиления сборного аэродромного покрытия под динамическими нагрузками при совместном воздействии эксплуатационных факторов и температуры.