Напряженно-деформированное состояние многослойной конструкции при совместном действии нагрузки и внешней среды :Применительно к расчету дорожной одежды на мостовых сооружениях Щербаков Александр Геннадьевич

Содержание к диссертации

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ 7

ВВЕДЕНИЕ 8

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ РАСЧЕТА
МНОГОСЛОЙНЫХ КОНСТРУКЦИЙ НА УПРУГОМ
ОСНОВАНИИ (применительно к дорожной одежде и одежде
' / ездового полотна мостового сооружения) 14

1.1. Требования и условия работы дорожных одежд на

>

' / автомобильных дорогах и мостовых сооружениях 14

1. Типы конструкций дорожных одежд, устраиваемых на автомобильных дорогах и мостовых сооружениях 19

2. Модели и методы расчета конструкций дорожных одежд, устраиваемых на автомобильных 'дорогах и мостовых сооружениях 22

1. Модели и методы расчета конструкций дорожных одежд на автомобильных дорогах 22

2. Модели и методы расчета конструкций дорожных одежд на мостовых сооружениях 27

1.4. Анализ экспериментальных данных по влиянию
температуры на механические характеристики материалов
дорожной одежды мостовых сооружений 30

3. Влияние температуры и хлоридсодержащей среды на механические свойства компонентов железобетона 31

4. Влияние температуры и хлоридсодержащей среды на механические свойства асфальтобетона 38

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1 57

ГЛАВА 2. ПОСТРОЕНИЕ И ИДЕНТИФИКАЦИЯ МОДЕЛИ
ДЕФОРМИРОВАНИЯ В УСЛОВИЯХ ВОЗДЕЙСТВИЯ
АГРЕССИВНЫХ СРЕД 58

2.1. Характерные типоразмеры плит проезжей части
металлических и сталежелезобетонных мостовых сооружений... 58

2.1.1. Конструкции дорожных одежд на
сталежелезобетонной плите проезжей части 60

2.1.2. Конструкции дорожных одежд на металлической
ортотропной плите проезжей части 60

/

2.1.3. Построение расчетных схем конструкции дорожной
одежды мостовых сооружений с железобетонной и
металлической плитой проезжей части 61

5. Расчетные схемы конструкции дорожной одежды на железобетонной плите проезжей части 61

6. Расчетные схемы конструкции дорожной одежды на ортотропной плите проезжей части 62

2.2. Построение модели деформирования многослойной
пластины под действием внешних факторов 63

2.2.1. Модель конструктивного элемента 63

3. Модель нагружения 65

4. Модель воздействия внешних факторов 66

^ 2.2.4.1. Модель температурного воздействия 67

1. 2.2.4.2. Модель воздействия хлоридсодержащей среды на

h материал плиты проезжей части 74

2.2.4.3. Учет влияния температуры на кинетику проникания
хлоридсодержащей среды в армированную плиту проезжей
части 84

2.2.5. Модель деформирования многослойной дорожной
одежды на плите проезжей части 86

1. Модель деформирования слоев дорожной одежды 87

2. Модель деформирования плиты проезжей части 100

2.3. Вывод уравнения изгиба многослойной конструкции
дорожной одежды на армированной плите проезжей части 113

2.4. Вывод уравнения деформирования многослойной
конструкции дорожной одежды на ортотропной плите проезжей
части.. 123

і 2.4.1. Определение приведенной толщины листа настила

і ортотропной плиты проезжей части 123

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2 150

ГЛАВА 3. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ
МНОГОСЛОЙНОЙ ПЛАСТИНЧАТОЙ КОНСТРУКЦИИ в
УСЛОВИЯХ ТЕМПЕРАТУРНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ 152

3. Сводка основных уравнений для расчета многослойной пластины в условиях температурного воздействия 152

4. Методология и алгоритм расчета многослойной пластины

при действии нагрузки и температуры окружающей среды 156

3.3. Применение метода сеток к решению разрешающего
дифференциального уравнения пластинки 159

3.4. Верификация задачи расчета многослойной пластины 167

Vr 3.5. Анализ напряженно-деформированного состояния

I | многослойной пластинчатой конструкции 175

*к 3.5.1. Случай жесткого защемления пластины 175

3.5.1.1. Анализ результатов расчета равномерно нагруженной
многослойной пластины при действии постоянной
температуры 175

5 3.5.1.2. Анализ результатов расчета локально нагруженной многослойной пластины при действии постоянной

температуры 179

, 3.5.1.3. Анализ результатов расчета многослойной пластины,

нагруженной равномерной нагрузкой при различных

температурах 181

3.5.1.4. Анализ результатов расчета многослойной пластины,
| нагруженной равномерной нагрузкой при неоднородном

' распределении температуры по толщине 183

3.5.2. Случай шарнирного опирания пластины 185

5. Анализ результатов расчета равномерно нагруженной многослойной пластины при действии постоянной температуры 185

6. Анализ результатов расчета равномерно нагруженной многослойной пластины при различных однородных температурах 187

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3 223

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ДИССЕРТАЦИИ .... 224

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 228

ПРИЛОЖЕНИЕЯ 247

Приложение 1. Анализ методов расчета дорожных одежд

\? устраиваемых на земляном полотне 248

1 Приложение 2. Анализ методов расчета дорожных одежд

* J, устраиваемых на мостовом сооружении.. 270

Приложение 3. Анализ нагрузок, оказывающих воздействие на

дорожную одежду и плиту проезжей части 299

Приложение 4. Вывод уравнения изгиба многослойной
конструкции дорожной одежды на армированной плите
проезжей части 307

Приложение 5. Вывод уравнения изгиба многослойной конструкции дорожной одежды на ортотропной плите проезжей

части 316

Приложение 6. Акты внедрения 326

І

«

7 ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

х, у> z - координаты;

e_x,e_y,e_z - компоненты тензора деформации;

е_х,_у,Б₂- деформации точки срединной поверхности;

, <т_х, (т_у, Gxy — компоненты тензора напряжений;

W- секущий модуль;
_s Е - модуль упругости;

v- коэффициент Пуассона;

Zx> Zy> Zxy~ кривизны в точке срединной поверхности;

z_0{Xty)- уравнение нейтральной поверхности пластины;

С - концентрация агрессивной среды в точке пластины;

D - коэффициент диффузии;

t - время;

Т- температура, С;

<х^т — коэффициент температурного расширения;

а - коэффициент температуропроводности;

X - коэффициент теплопроводности;

с - удельная теплоемкость;

р - плотность материала;
^ h - высота пластины; Ь - ширина пластины; / - длина пластины;

' _i R- радиус арматурного стержня;

>! d - диаметр арматуры;

' М_х, М_у, M_z - изгибающий момент;

и, v, w — перемещения точки тела пластины.

Условные обозначения, не вошедшие в список, пояснены в тексте диссертации.

Введение к работе

*

^

Актуальность темы. В последние годы достигнут значительный прогресс в проектировании систем и конструкций пролетных строений, отличающихся техническим совершенством и экономичностью. Несмотря на это, конструктивные элементы проезжей части и, в частности, дорожная одежда на мостах часто выполняется на устаревшем уровне. Это объясняется тем, что проведению исследований эксплуатационной работы проезжей части уделяется весьма мало внимания.

Обследование и анализ существующих конструкций дорожных одежд мостового полотна автодорожных мостов Поволжья и МКАД показывают, что традиционно применяемые конструкции дорожных одежд на мостовых сооружениях и технологии их выполнения не обеспечивают требуемой прочности и долговечности. Причина в том, что традиционные конструкции дорожной одежды мостового полотна, включающие в себя слои из разнородных компонентов на различных вяжущих, не обеспечивают совместной работы их между собой и с металлической ортотропной или железобетонной плитой проезжей части пролетного строения и на таком покрытии через 2ч-3-и года наблюдаются трещины и дефекты.

Одной из основных причин нарушения работы конструкции дорожной одежды мостовых сооружений является воздействие окружающей среды.

Слои дорожной одежды испытывают на себе воздействия не только

)л^ автомобильного транспорта всех видов, но и одновременно атмосферных

, факторов - воздуха, ветра, воды (дождя, льда и снега), действие солнечных

Л лучей и перепадов температуры воздуха от +35^-40С летом, до -30С зимой, а

также имеет место неравномерное распределение температуры по толщине

конструкции плиты проезжей части и дорожной одежды мостового

сооружения из-за разности температуры на поверхности дорожной одежды и

под плитой проезжей части моста.

Вследствие значительного влияния температуры и режима
деформирования на свойства конструктивных слоев, деформационно-
прочностные характеристики материала этих слоев претерпевают в течение
срока службы существенные изменения, связанные с колебаниями
температуры, переменными условиями воздействия влажности и других
л_т факторами. Температурный режим дорожной одежды является одним из

основных факторов, определяющих вариации характеристик материалов слоев
в процессе эксплуатации.

^1 К сожалению, методы расчета многослойных конструкций

применительно к мостовым сооружениям практически отсутствуют, а известные методы расчета дорожных одежд на земляном полотне не полностью отражают реальные условия их работы и практически не учитывают влияние температуры и агрессивной эксплуатационной среды.

В качестве примера отметим тот факт, что при расчете дорожных одежд на земляном полотне механические характеристики асфальтобетона принимаются соответствующими 0С, хотя в процессе эксплуатации диапазон изменения температуры составляет от -40С до +40С. При таком изменении температуры реальное поведение дорожной одежды значительно отличается от расчетного, что приводит к преждевременному выходу конструкции дорожной одежды из строя или нерациональному расходу материалов.

В связи с этим весьма актуальной является проблема построения и
4-ї¹ исследования модели деформирования многослойной конструкции

применительно к дорожной одежде на мостовом сооружении.
Л. Цель и задачи исследования. Целью работы является разработка модели и

методики расчёта многослойной пластины, применительно к конструкции дорожных одежд на мостовых сооружениях в условиях совместного воздействия внешних нагрузок и внешней среды.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:

- анализ и систематизация методов расчета многослойных конструкций
дорожных одежд на мостовых сооружениях;

- анализ экспериментальных данных по влиянию температуры
окружающей среды на поведение материалов конструкции дорожной одежды
и плиты проезжей части;

_г - построение модели деформирования многослойной пластинчатой

конструкции с учетом нелинейности и разномодульности слоев при совместном действии нагрузки и температуры окружающей среды;

идентификация модели деформирования материалов слоев многослойной пластинчатой конструкции по экспериментальным данным;

- разработка методики расчёта, алгоритма, программы и выполнение
численного моделирования напряжённо-деформированного состояния
многослойной пластинчатой конструкции применительно к условиям работы
дорожной одежды мостового сооружения при совместном действии нагрузки и
температуры.

Научная новизна работы:

проведен анализ методов расчета многослойных конструкций дорожных одежд на мостовых сооружениях и земляном полотне;

проведен анализ экспериментальных данных по влиянию температуры окружающей среды на механические характеристики материалов слоев дорожной одежды мостового сооружения;

'Су - построена модель деформирования многослойной пластины,

имитирующей работу дорожной одежды на мостовом сооружении при
: jv совместном действии нагрузки и температуры окружающей среды;

проведена идентификация модели деформирования многослойной пластинчатой конструкции по экспериментальным данным;

разработаны методика расчёта, алгоритм, программа и выполнено численное моделирование напряжённо-деформированного состояния

многослойной конструкции дорожной одежды мостового сооружения при совместном действии нагрузки и температуры;

- проведено исследование влияния различных факторов на напряженно-деформированное состояние многослойной конструкции дорожной одежды мостового сооружения с учетом воздействия нагрузки и температуры.

Практическая ценность и реализация результатов состоит в разработке
расчетной модели, методики, алгоритма и программы расчета многослойной
конструкции дорожной одежды мостового сооружения с учетом воздействия
*' нагрузки и температуры окружающей среды. Результаты могут использоваться

научными и проектными организациями при моделировании напряженно-деформированного состояния конструкций дорожных одежд мостовых сооружений.

Достоверность результатов работы подтверждается сопоставлением результатов расчета по предложенным математическим моделям с некоторыми экспериментальными данными; сопоставлением полученных результатов расчета напряженно-деформированного состояния с данными, полученными другими авторами, и решением ряда тестовых задач.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 11 работах.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и об
суждались на: Международной научно-технической конференции
* «Актуальные проблемы строительства и строительной индустрии» (Тула, 2001

г.); Международной научно-технической конференции «Эффективные
и строительные конструкции: теория и практика» (Пенза, 2002 г.); Российско -

Финском семинаре «Дорожно - мостовые покрытия и гидроизоляция на мостах» (Москва, 2002 г.); Студенческой научно-технической конференции «Молодые специалисты - железнодорожному транспорту» (Саратов, 2002 г.); Международной научно-технической конференции «Надежность и долговечность строительных материалов и конструкций» (Волгоград, 2003 г.);

12 Международной многопрофильной конференция молодых ученых и студентов «Актуальные проблемы современной науки» (Самара, 2003 г.). В полном объеме работа докладывалась на расширенном заседании кафедры «Мосты и транспортные сооружения» Саратовского государственного технического университета в апреле 2005 года.

. Объем работы. Диссертация объемом 177 страниц состоит из введения,

трех глав, основных результатов и выводов, списка использованной литературы из 176 наименований, приложения, включает 179 рисунков, 54

* таблицы.

Первая глава диссертации посвящена описанию конструктивных решений многослойных дорожных одежд на автодорогах и мостовых сооружениях и сравнительному анализу применяемых для исследования их поведения расчетных схем. Рассмотрены различные методы расчета этих конструкций на земляном полотне и на мостовых сооружениях. В главе также приведены собранные по различным источникам и систематизированные экспериментальные данные по влиянию температуры и агрессивной хлоридсодержащей среды на прочностные и деформационные характеристики материала слоев многослойной дорожной одежды и материала плиты проезжей части.

Во второй главе диссертационной работы рассматриваются вопросы,

связанные с построением и исследованием моделей деформирования слоев

Vp многослойной пластинчатой конструкции, подверженной совместному

воздействию нагрузки, температуры и агрессивной хлоридсодержащей среды.

(ч Произведена идентификация моделей по экспериментальным данным. В главе

построена модель теплового воздействия окружающей среды на поведение многослойной конструкции дорожной одежды и плиты проезжей части, которые рассматриваются как многослойная пластина, подверженная воздействию температуры окружающей среды.

}

Третья глава диссертационной работы посвящена вопросам расчета напряженно-деформированного состояния многослойной пластинчатой конструкции в условиях температурного воздействия. Описаны разработанные методика расчета, алгоритм и программный комплекс, а также приведены результаты расчета трехслойной пластинчатой конструкции на армированной плите проезжей части при совместном действии нагрузки и внешней среды.

В заключении и общих выводах формулируются основные результаты работы.

На защиту выносятся:

- результаты анализа экспериментальных данных по влиянию
температуры на изменение механических характеристик материалов слоев
многослойной пластины, имитирующей работу дорожной одежды мостового
полотна;

модели деформирования материалов слоев многослойной пластины;

результаты идентификации модели деформирования материалов слоев многослойной пластины;

методика и алгоритм расчета многослойной пластинчатой конструкции с использованием построенных моделей;

- результаты численного моделирования поведения многослойной
пластины при совместном действии нагрузки и температуры.

#

Представленные в диссертационной работе результаты относятся к области строительной механики мостовых сооружений.

Автор приносит свою искреннюю благодарность научным руководителям

(Y& кандидату технических наук, доценту Бочкареву Андрею Владимировичу и

Заслуженному деятелю науки РФ, доктору технических наук, профессору

Овчинникову Игорю Георгиевичу за внимание и ценные советы, высказанные

ими в процессе выполнения работы.

Похожие диссертации на Напряженно-деформированное состояние многослойной конструкции при совместном действии нагрузки и внешней среды :Применительно к расчету дорожной одежды на мостовых сооружениях

Определение напряженно-деформированного состояния конструкций и сооружений с учетом вязкопластических свойствАнтонио Орта-Ранхель

Оценка надежности конструкций на нелинейно деформируемом основании при действии случайных нагрузокМясникова, Елена Станиславовна

Оценка состояния элементов зданий и сооружений при тестовых динамических воздействияхМаринченко Елена Викторовна

Оценка технического состояния системы "основание-сооружение" на основе мониторингаХо Чантха

Расчет напряженно-деформированного состояния и устойчивости оснований фундаментов, грунтовых сооружений и массивов на основе методов теории функций комплексного переменногоУшаков Андрей Николаевич

Напряженно-деформированное состояние конструкций, взаимодействующих с нелинейно-деформируемой средойШашкин, Всеволод Алексеевич

Пространственное напряженно-деформированное состояние дорожных конструкций при динамическом нагружении Медведева Татьяна Александровна

Оценка напряженно-деформированного состояния трубопроводных конструкций с эксплуатационными повреждениямиСнарский Сергей Вячеславович

Расчетно-экспериментальный метод исследования напряженно-деформированного состояния составных конструкций в зонах концентрации напряженийФриштер Людмила Юрьевна

Методы и алгоритмы определения напряженно-деформированного состояния тонкостенных подкрепленных конструкций вращения из нелинейно-упругого материалаКочетов Сергей Николаевич