1462

4. Существенное уменьшение применения вяжущих при строительстве лесовозных автомобильных дорог приводит к сокращению техногенной нагрузки на лесную экосистему.

Список литературы

1. ГОСТ 30491–97. Смеси органоминеральные и грунты, укрепленные органическими вяжущими, для дорожного и аэродромного строительства. Технические условия. – Введ. 1997-09–01. – М.: Госстандарт России, 2010.

2.Кручинин И.Н., Чудинов С.А. Опыт строительства основания автомобильной дороги из укрепленного грунта с использованием комплексного вяжущего // Дальний Восток. Автомобильные дороги и безопасность движения: междунар сб. науч. тр. – Хабаровск: Изд-во Тихо-

океан. гос. ун-та, 2010. – № 10. – С. 474–480.

3.Технологический регламент на выполнение работ по устройству оснований автомобильных дорог по технологии «KINPRO NANO SYSTEM». – Введ. 2010-03-29. – Екатеринбург, 2010. – 36 с.

Об авторе

Кручинин Игорь Николаевич (Екатеринбург, Россия) – кандидат технических наук, доцент кафедры «Транспорт и дорожное строительство», Уральский государственный лесотехнический университет

(620100, г. Екатеринбург, Сибирский тракт, 37; e-mail: kinaa.k@ya.ru).

412

УДК 621.01:624.04:658 (075.8)

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕРМОУПРУГОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ СЛОИСТЫХ ПЛОСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

В.И. Кычкин1, Л.А. Рыбинская2

1Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Россия 2ООО «Полицвет-сервис», Пермь, Россия

В качестве основного ресурса моделирования термоупругого деформирования слоев дорожной одежды выбран метод конечных элементов, реализованный в виде пакета программ расчета сопряженных и связанных задач. Получены численные решения для оценки теплового и напряженнодеформированного состояния элементов конструкции автомобильных дорог.

Ключевые слова: автомобильные дороги, слои дорожной одежды, температурные и силовые нагрузки, напряжения, деформации, перемещения, метод конечных элементов.

В настоящей работе модель слоистых плоских поверхностей представляет собой воспроизведение конструкций нежестких дорожных одежд бесконечных размеров в плане, изготовляемых из различных видов асфальтобетонов и других смесей с вяжущими, из каменных материалов, побочных продуктов промышленности или грунтов, укрепленных минеральными или комплексными вяжущими. Подавляющее большинство теоретических работ по проблемам нагружения многослойных дорожных одежд базируется на принятии квазистатического действия единичного колеса автотранспортного средства (АТС) на покрытие с учетом влияния распределения температур в верхних слоях конструкции дороги [1].

Структура проблемных задач, стоящих перед дорожной отраслью (дорожным хозяйством России), их содержание, смысл, методы, ресурсы, принципы управления и так далее многократно и многовариантно обсуждаются на самых различных иерархических уровнях систем проектирования, строительства и эксплуатации автомобильных дорог. Главным в этом процессе следует считать формирование принципов достижения эффективных результатов по обеспечению долговечности

413

с подробным описанием свойств каждого материала (модулей упругости, коэффициентов Пуассона, плотности и т.д.)

Рис. 1. Геометрическая область пятислойной конструкции: а – расчетная схема взаимодействия дорожной одежды, нагрузки и температуры; б – разбиение на конечные элементы участка дорожной одежды

Для расчетов была выбрана автомобильная дорога 3-й категории – нежесткая конструкция дорожной одежды. Значения толщины слоев предполагались фиксированными и равными соответствующим значениям: от h1 = 50 мм (верхний слой), h2 = 70 мм, h3 = 200 мм, h4 = 300 мм, h5 – толщина грунтового основания.

Взаимодействие между слоями моделировалось как связанное упругое сочетание, не допускающее проникновения одного слоя в другой.

Для линейных задач механики сплошных сред разрешающая глобальная система уравнений в матричной форме имеет вид [5]

[М]{q} + [S ]{q} + [K ]{q} = {F},

где [М] , [ K ], [S ] – матрицы масс, жесткости, демпфирующая матрица соответственно;

{q} – вектор обобщенных узловых параметров;

{F} – вектор внешней нагрузки.

Принимая во внимание условие, что [М] , [S ] равны нулю, запи-

шем

[K ]{q} = {F}.

При температурном анализе заданы граничные условия дорожных одежд, температуры внешней среды на поверхности верхнего слоя, граничившего с окружающей средой, а также параметры естественного

415

конвективного теплообмена путем задания коэффициента конвективной теплоотдачи от воздуха (β = 20 Вт/(м2·°С)), а также массовой температуры окружающей среды (°С). Боковые границы приняты нетеплопроводными.

При исследовании модуль упругости материала верхнего слоя принимаем переменным в зависимости от температуры грунта. Исследования НДС проводились для ряда последовательных температурных состояний окружающей среды из условия зимнего и летнего сезона – от –30 до +50 °С соответственно.

Для обеспечения одностороннего сопряжения разработана и исследована конечно-элементная трехмерная математическая модель термоупругого НДС слоистой дорожной конструкции. Уравнение теплопроводности в общем виде [3]:

div(λqgradT ) = ω+c dTdt ,

где λq – теплопроводность; ω – удельная мощность источников теплоты;

Т – температура слоя конструкции дороги; с – удельная теплоемкость. Результаты численного моделирования приведены на рис. 2.

а

б

Рис. 2. Результаты расчетов по МКЭ: а – распределение температур по слоям; б – результирующие напряжения по Мизесу

416

Расчет проводился для параметров: напряжения по Мизесу, деформации, перемещения. Определялись напряжения и перемещения для координат расчетной точки в центре пятна контакта колеса с дорогой.

Численное решение осуществлялось с учетом последовательно сопряженной физики комбинаций различных инженерных областей, взаимодействующих друг с другом.

Сопряженная задача оценки параметров НДС слоев по данным решения тепловой задачи для конструкции дорожного покрытия:

Вводились допущения: теплофизические и механические свойства материалов слоев считались не зависящими от температуры и влажности и принимались соответствующими температуре +25 °C, температурные деформации определялись по зависимости εT = α ∆T, где α –

коэффициент линейного температурного расширения.

Принято, что уровень нулевых температурных деформаций соответствует +5 °С.

Рис. 3. Эквивалентные напряжения по Мизесу и перемещения в расчетной точке по трем вариантам реализации решения при нагрузке 585 кПа

Результаты расчетов представлены на рис. 3. Совпадение результатов расчета по вариантам наблюдается для напряжений в области положительных температур и для перемещений в области отрицательных температур.

Заключение

Авторы отмечают, что на основании проведенных работ ресурсы пакета SolidWorks Simulation позволяют осуществить моделирование термоупругой задачи определения параметров деформирования конструкционных слоев автомобильных дорог. При принятых теплофизиче-

417

ских и физико-механических параметрах материалов слоев и их значений толщины результаты моделирования в рамках принятых допущений показали существенную зависимость перемещений и напряжений от температуры рассматриваемой конструкции. В области отрицательных температур расчетные величины в зависимости от варианта моделирования могут отличаться до 30 % для напряжений и до 1 % для перемещений, в области положительных температур эта разница составляет до 1 % для напряжений и до 48 % для перемещений. Метод, описанный в статье, ориентированный на эффективное исследование в практике проектных работ при минимальной информации, имеет все основания для дальнейших исследований.

Необходимо указать, что критериями оценки деформированного состояния слоев в области отрицательных температур следует установить уровень напряжений, а в области положительных температур – уровень перемещений. Возможны перспективные этапы моделирования

исравнительный анализ получаемых результатов при назначении параметров функциональных слоев дорожных конструкций при силовом

итемпературном нагружении.

Список литературы

1.Торская Е.В., Лушников Н.А., Лушников П.А. Анализ напря- женно-деформированного состояния многослойных дорожных одежд //

Трение и износ. – 2008. – Т. 29, № 2. – С. 204–210.

2.Апестин В.К. Что мешает приведению федеральных дорог в нормативное состояние? // Наука и техника в дорожной отрасли. – 2014. – № 2. – С. 25.

3.Лыков А.В. Тепломассообмен: справ. – 2-е изд., перераб. и доп. –

М.: Энергия, 1978. – 480 с.

4.Демьянушко И.В., Стаин В.М. Расчетное моделирование // Ав-

томобильные дороги. – 2014. – № 7(992). – С. 40–44.

5.Zeng Mulian, Wang Soggen, Chen Shuanfa. Tongji daxue xuebao. Ziran Kexue Ban // Tongji Univ. Natur. Sci. – 2009. – Vol. 37, № 3. – С. 327–332.

6.Rajbongshi Pabitra. Estimation of Temperature Stress and LowTemperature Crack Spacing in Asphalt Pavements // Transp. Eng. – 2009. – Vol. 135, № 10. – С. 745–752.

418

7. Разработка и исследование энергосберегающих и подземных строительных конструкций и элементов / С.Р. Леви, В.Н. Аликин, Ю.А. Елдашов, Г.Г. Кашеварова, О.Ю. Сметанников. – Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2006. – 230 с.

Об авторах

Кычкин Владимир Иванович (Пермь, Россия) – кандидат технических наук, доцент, Пермский национальный исследовательский политехнический университет (614000, г. Пермь, Комсомольский пр., 29).

Рыбинская Любовь Алексеевна (Пермь, Россия) – специалист проектно-технического отдела, ООО «Полицвет-сервис» (614025,

г. Пермь, ул. Героев Хасана, 74/1; е-mail: letoinf@gmail.com).

419

УДК 625.71

ОПЫТ И ПРЕИМУЩЕСТВА ПРИМЕНЕНИЯ ГОФРИРОВАННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ДЛЯ УСТРОЙСТВА МАЛЫХ ИСКУССТВЕННЫХ СООРУЖЕНИЙ НА АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГАХ

Е.И. Матвеева1, Н.А. Богоявленский2, А.Г. Кузнецов2, Е.А. Андреева2, А.С. Кудинова2

1ООО «Туборус», Рязань, Россия

2Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Россия

Рассмотрена тема применения искусственных сооружений из металлических гофрированных конструкций. Произведен краткий обзор малых искусственных сооружений, рассмотрена историческая сторона вопроса, область применения, выявлены достоинства и недостатки использования данных конструкций.

Ключевые слова: малые искусственные сооружения, сборные металлические гофрированные конструкции (СМГК), спиральновитые гофрированные трубы.

Современное строительство и ремонт искусственных сооружений на автомобильных дорогах общего пользования основываются на выборе различных материалов. В XX в. и в настоящее время основным материалом для труб и малых мостов являлся железобетон [1]. На практике при эксплуатации железобетонных конструкций долговечность их невелика, так как такие конструкции требуют соблюдения строгих плановых регламентных профилактических работ, а в случае их несоблюдения состояние конструкций требует больших затрат при проведении ремонтов. Рациональным способом увеличения срока службы искусственных сооружений на автомобильных дорогах общего пользования является внедрение металлических гофрированных конструкций (МГК).

К основным преимуществам таких конструкций можно отнести небольшой вес их элементов, простоту сборки и сроки производства работ.

Работа МГК основана на прочности листа волнистой (гофрированной) формы. Гофрированные листы собираются в трубу, арку и засыпаются грунтом. Тонкостенная оболочка гофрированного металличе-

420