Методическое пособие 821

Выпуск № 2 (50), 2018 ISSN 2541-7592

технического университета. Охрана окружающей среды, транспорт, безопасность жизнедеятельности. — 2011. —

технического регулирования в дорожном хозяйстве / Н. Е. Кокодеева, А. В. Кочетков, Б. С. Юшков, Л. В. Янковский // Дорожная держава. — 2011. — № 32. — С. 16—19.

12.Костюченко, И. В. Приоритетный проект «Безопасные и качественные дороги»: задачи и ход выполнения / И. В. Костюченко // Транспорт Российской Федерации. — 2017. — № 5 (72). — С. 7—10.

13.Скачков, Ю. П. Научно-методический подход к оценке технических и экологических рисков в

процессе применения принципов технического регулирования к объектам дорожной деятельности / Ю. П. Скачков, В. В. Столяров, А. П. Бажанов [и др.]. — Пенза: Изд-во ПГУАС, 2012. — 244 с.

14.Скворцов, О. В. Особенности национального законодательства о техническом регулировании и перспективы применения евростандартов в дорожном хозяйстве России / О. В. Скворцов // Дороги и мосты. — 2011. — Т. 26. № 2. — С. 41—55.

15.Соколов, М. Ю. «Безопасные и качественные дороги» — приоритетный проект транспортной политики / М. Ю. Соколов // Транспорт Российской Федерации. — 2016. — № 5 (66). — С. 3—6.

16.Столяров, В. В. Методические подходы совершенствования нормативного обеспечения техниче-

ского регулирования дорожного хозяйства с учетом теории риска / В. В. Столяров, Н. В. Щеголева, Ш. Н. Валиев, А. В. Кочетков // Грузовик. — 2016. — № 7. — С. 45—48.

17.Столяров, В. В. Совершенствование методов применения принципов технического регулирования

вдорожной деятельности / В. В. Столяров, А. П. Бажанов. — Пенза: Изд-во ПГУАС, 2017. — 210 с.

18.Сухов, В. В. Сертификация как форма контроля соответствия технических средств организации дорожного движения нормативно-техническим документам / В. В. Сухов, В. Ю. Логинов // Безопасность дорожного движения: сб. науч. тр. / Под общ. ред. О. М. Порташникова. — М., 2017. — С. 55—62.

19.Сухов, Э. В. К вопросу гармонизации технического регулирования «от Лиссабона до Владивостока» / Э. В. Сухов // Европейский союз и Евразийский экономический союз: на пути к «Большой Европе» от Лиссабона до Владивостока: материалы междунар. науч.-практ. конф. — Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2016. — С. 103—108.

ISSUES OF TECHNICAL REGULATION

OF THE FEDERAL PROJECT «SAFE AND QUALITY ROADS»

IN THE PENZA AGGLOMERATION

A. P. Bazhanov 1

Penza State University of Architecture and Construction 1

Russia, Penza

1 D. Sc. in Engineering, Prof. of the Dept. of Geotechnics and Road Construction, e-mail: bajan_p@mail.ru

Statement of the problem. The problems of implementation of the program of complex development of transport infrastructure of the Penza agglomeration are considered. The program is aimed at bringing the road network in line with the requirements of the technical regulations of the Customs Union ТР ТС 014/2011 «Road Safety».

Results and conclusions. The necessity of the development of methodical recommendations on the use of terminology, the application of new principles of technical regulation, the system analysis of methodological documents used in the territory of the Penza agglomeration, and the development of cost-effective proposals to bring the regulatory support of road activities in the territory of the Penza agglomeration in accordance with the requirements of ТР ТС 014/2011, as well as the use of positive experience of the evidence base of this technical regulation.

Keywords: Penza agglomeration, technical regulation, transport infrastructure, technical regulation ТР ТС 014/2011, terminology, methodological documents, road safety.

81

Научный журнал строительства и архитектуры

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И СТРОИТЕЛЬСТВО ДОРОГ, МЕТРОПОЛИТЕНОВ, АЭРОДРОМОВ, МОСТОВ И ТРАНСПОРТНЫХ ТОННЕЛЕЙ

УДК 624.21

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ АСФАЛЬТОБЕТОННОГО ПОКРЫТИЯ НА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МОСТАХ

А. Н. Яшнов 1, С. Ю. Поляков 2

Сибирский государственный университет путей сообщения 1, 2 Россия, г. Новосибирск

1Канд. техн. наук, доц. кафедры мостов, тел.: +7-383-328-04-90, e-mail: yan@stu.ru

2Аспирант кафедры мостов, тел.: +7-952-918-64-28, e-mail: sergey19920@mail.ru

Постановка задачи. В настоящее время конструкция одежды ездового полотна на мостах не рассчитывается, а просто назначается без учета особенностей эксплуатации в составе искусственного сооружения. Возможно, это является причиной меньшего в сравнении с запланированным фактического срока службы покрытия на пролетных строениях. Для расчета одежды ездового полотна на мосту требуется знать ее напряженно-деформированное состояние под воздействием подвижной нагрузки, которое зависит от механических характеристик материалов покрытия. Данная работа посвящена апробации на практике зависимостей для вычисления значений модуля деформации и коэффициента Пуассона асфальтобетона.

Результаты. Данные, полученные в ходе проведенных на нескольких искусственных сооружениях экспериментов по определению напряженно-деформированного состояния дорожной одежды, свидетельствуют о соответствии принятых расчетных предпосылок реальной работе конструкции. Выводы. В ходе проведения экспериментов апробированы зависимости для определения модуля деформации и коэффициента Пуассона асфальтобетона, что позволит применять их в дальнейшем при разработке методики расчета асфальтобетонного покрытия на ортотропной плите пролетных строений металлических мостов.

Ключевые слова: мост, пролетное строение, ортотропная плита, напряженно-деформированное состояние, дорожная одежда, асфальтобетон, модуль деформации, коэффициент Пуассона.

Введение. Конструктивные параметры элементов, воспринимающих усилия от любых нагрузок, назначают, как правило, по результатам расчетов, позволяющих определить на- пряженно-деформированное состояние (НДС) какого-либо сооружения. Так происходит, например, при проектировании несущих элементов пролетных строений мостов, а также конструкции нежесткой дорожной одежды на земляном полотне. Одной из нагрузок в этих случаях выступают транспортные средства, и если на земляном полотне дорожная одежда сама выступает как несущий элемент, то на мостах она служит только для передачи внешнего воздействия на несущие элементы проезжей части и далее на главные балки / фермы, не увеличивая несущую способность сооружения.

© Яшнов А. Н., Поляков С. Ю., 2018

82

Исходя из этого, необходимость расчета дорожной одежды на земляном полотне на подвижную нагрузку не вызывает сомнений. Результатом многолетних исследований и, как следствие, совершенствования нормативной базы в данном направлении в настоящее время являются ОДН 218.046-01 «Проектирование нежестких дорожных одежд».

Применительно к мостам ситуация несколько иная. Поскольку одежда ездового полотна здесь не является непосредственным несущим элементом, явной необходимости в ее расчете на первый взгляд не просматривается. Подтверждением этому могут служить положения СП 35.13330.2011 «Мосты и трубы», предписывающие назначать параметры покрытия конструктивно, вне зависимости от особенностей его эксплуатации на пролетном строении. Однако одежда ездового полотна непосредственно воспринимает нагрузку от транспортных средств и при этом деформируется совместно с ортотропной или железобетонной плитой проезжей части. При превышении каким-либо характеризующим НДС асфальтобетона параметром его предельного значения в материале возникнет дефект, что приведет к ухудшению эксплуатационных характеристик сооружения и необходимости ремонта.

Одной из распространенных неисправностей в покрытии на ортотропной плите пролетных строений металлических мостов являются трещины в местах наибольшей локальной жесткости конструкции (над стенками главных и поперечных балок). Данный дефект проявился, например, на мостах через р. Мзымту (рис. 1) и ряде других сооружений [2, 10, 19—21]. В покрытии на железобетонной плите проезжей части подобных трещин замечено не было вследствие ее существенно большей жесткости, поэтому пока интерес вызывает работа одежды ездового полотна только на ортотропной плите.

Рис. 1. Продольные трещины в покрытии над стенками главных балок мостов через р. Мзымту

По мнению авторов, данный дефект возник вследствие превышения поперечных растягивающих напряжений в асфальтобетоне над пределом прочности материала. Но определить НДС покрытия на том или ином сооружении и произвести соответствующие проверки в настоящее время проблематично: нормативно закрепленных методик расчета одежды ездового полотна, подтвержденных экспериментальными исследованиями, в настоящее время не принято.

Таким образом, определение НДС покрытия на ортотропной плите пролетных строений мостов является актуальной задачей, решение которой должно способствовать разработке мер для продления срока бездефектной эксплуатации одежды ездового полотна.

1. Расчетная модель для определения механических характеристик асфальтобето-

на. Асфальтобетон — упруговязкопластичный материал, т. е. характер связи деформации и прикладываемой нагрузки зависит от температуры t, длительности воздействия нагрузки τ и напряженного состояния материала (рис. 2).

83

Чтобы определить НДС асфальтобетона под нагрузкой, необходимо знать его модуль деформации E и коэффициент Пуассона µ, значения которых зависят как от температуры, так и от продолжительности воздействия нагрузки. Однако в действующих нормах (ОДН 218.046-01) значения модуля деформации материала для расчета на растяжение при изгибе приведены только при t = 0 0С и τ = 0,1 с, коэффициент Пуассона не нормирован. Поэтому при расчетах возникает проблема определения указанных характеристик во всем возможном диапазоне изменения температур и длительности воздействия нагрузки.

Характер деформирования асфальтобетона в различных условиях является предметом исследования многих ученых как в нашей стране, так и за рубежом. У многих из них свой, отличный от других, взгляд на механизм деформирования этого материала, что привело к многообразию расчетных моделей для вычисления модуля деформации.

Ранее авторами рассматривалось и анализировалось несколько таких зависимостей [17, 18], в результате чего было принято решение в дальнейшем использовать модель Д. Кристенсена с соавторами, применяемую совместно с формулой для определения модуля деформации (или жесткости, как принято авторами) битума, полученной Б. С. Радовским и Б. Б. Телтаевым [11]. Остановимся на ней подробнее.

Асфальтобетон — композиционный материал, поэтому значение его модуля деформации в соответствии с правилами смеси Рейсса и Фойгта [11], во-первых, находится в диапазоне между модулями деформации составляющих его компонентов и, во-вторых, зависит от доли объема смеси, занимаемой каждым компонентом. Также на величину модуля деформации существенное влияние оказывает характер связи на контакте матрицы и включений: если эта связь слаба, то касательные напряжения по контакту не передаются, соответственно компоненты деформируются «последовательно», т. е. продольные деформации составляющих смеси суммируются (что можно применить к асфальтобетону при высоких температурах). Если же связь существенна, то все происходит наоборот.

84

В 1962 году Т. Хирш предложил формулу для определения модуля деформации цементного бетона, основанную на правилах смеси Рейсса и Фойгта с учетом влияния связи на контакте включений и матрицы [11]:

где Ес — модуль деформации композиционного материала; Е1 — модуль деформации первого компонента; Е2 — модуль деформации второго компонента; с1 — объемная доля первого компонента в смеси; с2 — объемная доля второго компонента в смеси; k — эмпирический коэффициент, лежащий в диапазоне от 0 до 1, характеризующий величину связи по контакту матрицы и заполнителя и показывающий, насколько близко находится модуль деформации композиционного материала к нижней либо верхней границе возможного диапазона.

Зависимость Т. Хирша была усовершенствована Д. Кристенсеном, Т. Пеллиненом и Р. Бонаквистом применительно к асфальтобетону [11]. Эмпирический коэффициент k представлен ими в качестве контактной функции Pc, характеризующей вклад каждого компонента в модуль деформации асфальтобетона:

где P0, P1, P2 — эмпирические коэффициенты; Eb — модуль жесткости вяжущего; VMA — пористость минерального материала (в долях единицы); VFA — доля межзерновых пор, заполненных вяжущим.

А сама формула для вычисления модуля деформации асфальтобетона имеет вид:

где Eagg — модуль деформации каменного материала.

Значения модуля деформации вяжущего можно определить по зависимости, выведенной Б. Б. Телтаевым и Б. С. Радовским [11]:

где Eg — модуль жесткости вяжущего в стеклообразном состоянии; t — длительность воздействия нагрузки; η — вязкость битума, зависящая от температуры и длительности воздействия нагрузки; b — параметр, зависящий от индекса пенетрации битума.

Строго говоря, E (t) в зависимости (4) является модулем не жесткости, а релаксации битума, соответственно при ее подстановке в формулу (3) Emix становится модулем релаксации асфальтобетона. Однако далее во избежание путаницы использована терминология, принятая выше.

Поскольку описанная расчетная модель посредством контактной функции Pc отражает характер взаимодействия компонентов асфальтобетона между собой, вычисленные значения модуля деформации данного композиционного материала косвенно характеризуют соотношение между продольными и поперечными деформациями смеси (т. е. чем выше Emix, тем сильнее связь на контакте между компонентами и соответственно меньше поперечные де-

85

Научный журнал строительства и архитектуры

формации). Поэтому между значениями Emix и µ должна существовать корреляционная зависимость, которую можно принять в соответствии с механико-эмпирическим методом проектирования покрытий [9, 24]:

где E* — комплексный модуль асфальтобетона, psi (1 psi = 0,00689 МПа), в качестве которого можно принять значения модуля деформации Emix.

2. Экспериментальные исследования НДС асфальтобетона. Для оценки соответствия описанной выше расчетной модели фактическому характеру деформирования асфальтобетона необходима ее проверка на практике. Как один из вариантов можно провести экспериментальное определение НДС дорожной одежды на искусственных сооружениях под воздействием реально обращающихся на дорогах транспортных средств, что и было выполнено авторами.

Эксперименты проводились на четырех мостовых переходах:

№ 1 — сталежелезобетонный путепровод в г. Красноярске (рис. 3а);

№ 2 — мост через р. Тобол в Тюменской области (рис. 3б);

№ 3 — мост через р. Преголя в г. Калининграде (рис. 3в);

№ 4 — мост через р. Кондому в Кемеровской области (рис. 3г).

Рис. 3. Сооружения, на которых проводилось экспериментальное определение НДС дорожной одежды

Главные несущие элементы рассматриваемых искусственных сооружений представлены металлическими сплошностенчатыми балками двутаврового и коробчатого сечений

86

пролетами от 14,8 до 126 м. Несущие конструкции проезжей части — железобетонная либо ортотропная плита с полосовыми / коробчатыми продольными ребрами. Конструкция дорожной одежды — гидроизоляционный слой + асфальтобетон разных типов (плотный, ЩМА, литой).

Все сооружения на момент проведения испытаний находились на завершающих этапах строительства, поэтому какие-либо дефекты в покрытии отсутствовали. Исходя из этого, выбор мест для установки измерительного оборудования обусловлен опытом эксплуатации аналогичных мостов, а также результатами предварительных расчетов — датчики, фиксирующие поперечные деформации верхней фибры асфальтобетонного покрытия, располагались над стенками главных балок.

В качестве испытательной нагрузки были предоставлены одиночные автосамосвалы полной массой от 27 до 42 т. Принципиальная схема автомобиля, используемого для загружения дорожной одежды, приведена на рис. 4.

Рис. 4. Принципиальная схема испытательной нагрузки

Автомобиль испытательной нагрузки

Параметры НДС асфальтобетонного покрытия фиксировались с помощью тензодатчиков измерительного многофункционального комплекса «Тензор МС» разработки НИЛ «Мосты» СГУПС (свидетельство Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии об утверждении типа средств измерения RU. C.34.007. A № 32603/1, срок действия до 22 ноября 2018 г.). На рис. 5 изображен измерительный комплекс, установленный на проезжей части моста и готовый к работе.

Рис. 5. Измерительный комплекс «Тензор МС» в рабочем состоянии

87

88

Исходя из многообразия факторов, влияющих на НДС дорожной одежды, расчетная модель для вычисления механических характеристик асфальтобетона должна быть протестирована в максимально широком диапазоне изменяемых параметров, что было учтено при проведении испытаний (табл. 1).

Фотографии, иллюстрирующие процесс проведения испытаний, даны на рис. 7.

По результатам загружений одежды ездового полотна были получены графики относительных деформаций асфальтобетонного покрытия в местах контроля. Пример такой тензограммы, построенной в ходе испытаний асфальтобетона на мосту через р. Тобол, приведен на рис. 8. Стоит отметить, что поперечные относительные деформации покрытия на ортотропной плите под воздействием транспортных средств, полученные в летний период, практически на 2 порядка (в 100 раз) превышают таковые на железобетонной плите в зимнее время.

Следующий шаг после проведения экспериментов — сопоставление полученных данных с расчетными. Все вычисления выполнены в конечно-элементном пакете MidasCivil. Металлоконструкции задавались плитными конечными элементами, а железобетон, асфальтобетон и гидроизоляция — объемными конечными элементами. Детально моделировали один блок каждого пролетного строения, поскольку было важно получить именно локальные напряжения и деформации дорожной одежды в месте контроля. Пример конечно-элементной модели с приложенной нагрузкой приведен на рис. 9.

Оценить соответствие расчетной модели реальной работе конструкции можно с помощью конструктивного коэффициента, вычисляемого по формуле:

где Sr — параметр, полученный в результате фактического воздействия испытательной нагрузки; Sk — расчетный параметр от испытательной нагрузки.

89

Научный журнал строительства и архитектуры

а)

Места установки датчиков

б)

Смартфон

Измерительный

блок

Тензодатчик

в)

Рис. 7. Процесс проведения испытаний моста через р. Тобол: а) места под установку датчиков на проезжей части;

б) установленное оборудование на проезжей части; в) процесс загружения

90