книги / 807

2) поперечных (боковых) колебаний (рис. 1, б), характеризуемых поворотом кузова вокруг продольной оси (y7) и попарно равными перемещениями обоихлевых колес (y2 = y3) иобоих правых колес (y4 = y5).

Соответственно продольные колебания описываются четырьмя, а поперечные колебания – тремя дифференциальными уравнениями. Рассмотрим продольные колебания динамической системы.

Обозначим жесткости передних и задних рессор соответственно Сп и Сз, массы кузова и колеса – m и mк. Радиус инерции кузова относительно поперечной оси, проходящей через его центр масс, обозначим ρ. Используя эти обозначения, осадки передней (∆п ) и задней

(∆з ) рессор можно представить в виде

∆п = y1 + a y6 − y2 ;

∆з = y1 − b y6 − y3 ,

где a, b – расстояния от центра масс тела 1 до передней и задней осей. Уравнения движения составим в форме Лагранжа. Кинетическая энергия системы складывается из следующих частей: кинетической энергии кузова, кинетической энергии передних и задних колес. Сум-

марная кинетическая энергия находится по формуле

Потенциальная энергия состоит из энергии деформации рессор и энергии сжатия шин. Суммарная потенциальная энергия определяется по формуле

В данном случае уравнения Лагранжа имеют следующий вид: m1 y1 + 2Сп ( y1 − y2 + ay6 )2 + 2Cз ( y1 − y3 − by6 ) = 0;

2mк y2 − 2Сп ( y1 − y2 + ay6 ) + 2Cy2 = 0;

2mк y3 − 2Сз ( y1 − y3 − by6 ) + 2Cy3 = 0;

m1ρ2 y6 + 2Сп ( y1 − y2 + ay6 )a − 2Cз ( y1 − y3 − by6 )b = 0.

81

Частное решение этой системы:

Задача может быть упрощена, если считать шины недеформируемыми.

Частотное уравнение второй степени р2 имеет вид

p4 − 2 p2 Cп (a2 + ρ2 )+ Cз (b2 + ρ2 ) (mρ2 )+ 4CпСз (a + b)2 / (m2ρ2 ) = 0.

Рассмотрим частный случай распределения масс, когда ρ2 = ab,

т.е. когда радиус инерции автомобиля равен среднему геометрическому между величинами a и b. Отметим, что для этого расстояние a + b между осями автомобиля должно быть меньше его общей длины (это на самом деле имеет место в автомобилях современной компоновки). Тогда корни частотного уравнения:

Для примера рассмотрим возможность применения параметров модели автомобиля ГАЗ–3221 «Газель». Технические характеристики, необходимые для расчетов, принимаем следующие: a = 2800 мм;

b = 1900 мм; m = 3250 кг.

Изменение жесткости передней подвески берем в пределах 10– 14,4 кН/м, изменение жесткости задней подвески – 30–34,4 кН/м.

Результаты расчетов представлены на рис. 2, 3.

Рис. 2. Зависимость собственных частот колебаний кузова от жесткости

82

Рис. 3. Зависимость собственных частот колебаний кузова от массы автомобиля

По полученным зависимостям видно, что при увеличении жесткости увеличивается и частота собственных колебаний, а увеличение массы автомобиля приводит к снижению частоты собственных колебаний.

Выбор параметров шумовой полосы проводим при условии одночастотного колебания АТС. Это значительно упрощает задачу, но позволяет установить предельные значения виброскорости и виброускорения, действующие на физиологическую систему водителя с целью обеспечения адекватного управления АТС.

Повышение уровня вибрации возможно лишь до определенного предела, достижение которого связано с отрицательным влиянием на водителя, вызывая ухудшение самочувствия и снижение работоспособности. В связи с этим необходимо оценивать практически возможные пределы повышения вибраций, снижающих уровень комфорта движения и свидетельствующих об изменении траектории движения АТС в нежелательном и опасном направлении.

Рассмотрим структуру неровности шумовой полосы в соответствии с зависимостями:

где q0 – амплитуда отклонения поверхности от средней линии; V – скорость АТС; H – шаг неровности; х – пройденный путь; t – время прохождения неровности.

83

Канал вибрации включает в себя колесо, корпус, амортизаторы и водителя АТС. По модели одночастотного колебания без демпфирования амплитуду колебаний водителя запишем в форме

В реальных условиях система амортизации АТС существенно снижает амплитуду колебаний водителя. Если принять во внимание коэффициент снижения в диапазоне 50…2000, то по результатам расчета виброскорости можно установить некомфортную зону движения (таблица).

Параметры колебательного процесса

Перегрузку в центре тяжести АТС при движении по неровности (см. формулу (6б)) с учетом обжатия пневматика и без учета работы амортизатора запишем в следующем виде:

где δм.д , δпр – максимально допустимое и фактическое обжатие пнев-

матика; g = 9,8 м/с2; h = 2q0.

Максимальная перегрузка

Меру «неудобства» устанавливаем в пределах по октавным полосам частот при синусоидальном воздействии: 16 Гц – Y = 5 см/с; 32 Гц – Y = 3,5 см/с; 63 Гц – Y = 2,5 см/с. При этом амплитуда колебаний составляет: Y1 = 0,049 см; Y2 = 0,017 см; Y3 = 0,0063 см. Время воздействия вибрации менее 30 мин.

84

Порог восприятия виброскорости считается 10–4 м/с, порог болевого ощущения 1 м/с. Сопоставляя результаты, представленные в таблице, и меры дискомфорта, определяем, что коэффициент снижения амплитуд колебаний по принятой модели изменяется в пределах от 50 до 150. Это позволяет принять решение о назначении параметров шумовой полосы: шаг 0,2 м, глубина 0,1 м, длина полосы 1 км.

В дальнейшем предполагается продолжение исследований воздействия шумовой полосы на АТС с целью повышения безопасности движения и снижения количества ДТП. Проблема заключается в преодолении системы виброзащиты АТС и в создании локальной зоны повышенной колебательной энергии, действующей на тело сидящего человека иуправляющего автомобилем. Степень распространения колебаний по телу человека зависит от их частоты и амплитуды, продолжительности воздействия, площади участков тела, соприкасающихся с вибрирующим объектом, место приложения и направление оси вибрационного воздействия, демпфирующих свойств ткани, явление резонанса идругих условий.

Список литературы

1.Новости в дорожном деле: науч.-техн. информ. сб. / ИНФОРМ-

АВТОДОР. – М., 2007. – Вып. 2. – 60 с.

2.Кычкин В.И., Репецкий Д.С. Мониторинг автомобильных дорог

сприменением мобильных георадарных установок // Материалы XXX науч.-техн. всерос. конф., г. Пермь, октябрь 2003 г. – Пермь, 2003. –

С. 131–140.

3. Юшков Б.С., Бургонутдинов А.М., Юшков В.С. Исследование долговечности дорожной горизонтальной разметки в климатических условиях Урала // Технические науки: Проблемы и перспективы: материалы междунар. заоч. науч. конф., г. Санкт-Петербург, март 2011 г. –

СПб., 2011. – С. 208–212.

4. Юшков Б.С., Юшков В.С. Разметка автомобильных дорог с применением шумовых полос // Вопросы науки и техники: материалы междунар. заоч. науч.-практ. конф. – Новосибирск: ЭКОР-книга,

2012. – С. 85–88.

5. Юшков В.С. Горизонтальная разметка дорог по европейскому типу // Научное творчество XXI века: сб. тр. V междунар. науч.-практ.

конф. – Красноярск, 2012. – Т. III. – С. 320–325.

Получено 28.02.2012

85

УДК 625.84-044.3(470.4)(571.1/5)

Л.В. Янковский

Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Россия

К ВОПРОСУ ОЦЕНКИ И ПРОГНОЗА СОСТОЯНИЯ ЦЕМЕНТНЫХ БЕТОНОВ, ЭКСПЛУАТИРУЮЩИХСЯ

В УСЛОВИЯХ ВОЗДЕЙСТВИЯ КЛИМАТА УРАЛА И СИБИРИ

Рассмотрены актуальные предпосылки изучения оценки состояния цементобетонных конструкций, эксплуатирующихся в реальных изменяющихся климатических условиях Урала и Сибири. Предложен метод прогнозаостаточного ресурсаидолговечности цементныхбетонов.

Ключевые слова: оценка состояния, цементобетонные конструкции, воздействие климата, остаточный ресурс, бетон, долговечность, срок службы.

Систематическое воздействие изменяющихся параметров реальной климатической среды северных территорий на бетон конструкций способствует развитию микро- и макродефектов в бетоне, что приводит к снижению долговечности конструкций или сооружений (рис. 1).

Рис. 1. Цементобетонное покрытие дороги треснуло!

Неблагоприятное воздействие климата на бетон должно быть учтено, особенно при проектировании и эксплуатации конструкций и сооружений (транспортные, гидротехнические и др.), к которым предъ-

86

являются повышенные требования с точки зрения эксплуатационной надежности. В связи с этим необходимо тщательно изучать изменения структуры и свойств цементных бетонов в суровых климатических условиях.

Объем уже построенных и эксплуатирующихся в условиях воздействия климата сооружений из бетона и железобетона значителен и растет с каждым годом и, соответственно, растет объем ремонтновосстановительных работ, требующих вложения значительных средств (рис. 2).

Рис. 2. Ремонт цементобетонной автомобильной дороги

Одной из важнейших проблем строительной отрасли РФ является повышение эксплуатационных качеств зданий и сооружений из бетона и железобетона и увеличение их срока службы. Срок службы может быть существенно продлен использованием различных технологий, добавок вбетоны, выбор и обоснование которых должны базироваться на результатах детальных обследований состояния бетона конструкций и сооружений и прогнозированииразвития различных видов разрушений.

Последствия длительного воздействия северного климата на структуру и свойства бетонов, приготовленных по традиционным и новым технологиям, изучены недостаточно полно. Нормативного расчета долговечности цементобетона напрямую вообще не существует. Обычно рассчитывают морозостойкость, которая является основным нормируемым показателем качества бетона, предопределяющим

87

долговечность железобетонных конструкций, эксплуатируемых в условиях попеременного замораживания – оттаивания в водонасыщенном состоянии [1, 2].

Для разработки экономически рациональной стратегии сохранности, содержания и ремонта конструкций и сооружений из бетона и железобетона необходима также оценка их остаточного ресурса на текущем этапе эксплуатации. Эффективность любой системы управления состоянием зданий и сооружений определяется достоверностью прогнозирования изменений состояния и процесса разрушения цементного бетона. Именно поэтому совершенствование методов оценки остаточного ресурса и долговечности цементных бетонов является актуальной задачей строительной отрасли.

Целью работы является исследование особенностей изменения характеристик свойств и структур различных бетонов при длительном (18–34 месяца) воздействии природной климатической среды, выявление комплекса характеристик, достаточно полно описывающих состояние бетона. Разработка теоретических основ и методов оценки состояния, определения остаточного ресурса и прогнозирования долговечности цементных бетонов, эксплуатирующихся в условиях воздействия климата Урала и Сибири.

Научная новизна состоит в создании и реализации принципиально нового комплексного подхода к оценке остаточного ресурса бетона конструкций и сооружений, эксплуатируемых в условиях воздействия реального климата, который основан на применении теоретических методов моделирования накопления повреждений цементного бетона с учетом реального состояния, выявленного экспериментально на текущем этапе эксплуатации.

Достоверность теоретических решений определяется математической строгостью и обоснованностью применения методов теории распознания образов, использованием подходов теории надежности при разработке математических моделей, сопоставлением расчетных характеристик с экспериментальными данными, полученными в натурных условиях, а также в исследованиях других ученых. Достоверность получаемых результатов обеспечена также статистическим анализом и многократной проверкой результатов испытаний, корректным применением современных методов исследований (химических, рентгенографических и диффе- ренциально-термических анализов).

88

В большом количестве работ советских и российских ученых рассматривались вопросы негативного влияния климата, но только на некоторые физико-механические свойства бетонов и состояние их структур. В большинстве случаев исследователи ограничивались изучением характеристик свойств и структуры бетона в период становления его структуры. Значительная часть исследований проводились в лабораторных условиях. Бетоны при этом подвергались воздействию различных сред, имитирующих природные условия климата. Параметры имитирующей среды отражали мнение исследователя об определяющем факторе негативного воздействия на бетон.

Твердение бетона под воздействием окружающей среды – сложный противоречивый процесс, в котором упрочнение и разупрочнение материала протекают параллельно, накладываясь друг на друга. В благоприятных условиях преобладают процессы структурообразующие, в неблагоприятных – деструктивные. Закономерность изменения параметров климата довольно сложна для моделирования, поэтому исследователи пошли по пути выделения одного или нескольких климатических факторов, оказывающих наиболее существенное влияние на свойствабетона.

Анализ практикуемых способов моделирования воздействия климатических факторов выявил отсутствие единства мнений об определяющем параметре. Данные анализа свидетельствуют о несопоставимости результатов исследований изменения свойств бетона под воздействием имитационных сред. Оценка сопротивляемости бетона воздействию климата производится с помощью различных критериев, основанных на изменении их под влиянием климата или имитационной среды в сопоставлении с аналогичными характеристиками бетонов нормального твердения. Однако научного обоснования доминирования этих критериев не приводится.

Существующие в настоящее время методы оценки долговечности бетонов основаны на установлении зависимости между долговечностью образцов, испытываемых в лабораторных условиях, и значениями какихлибо физико-химических или физико-механических характеристик материала. Оценка эксплуатационной пригодности бетона по одной его характеристике, в случае воздействия климата, является неполной, так как сложный процесс образования и развития дефектов бетона при нестационарном воздействии реальной среды требует оценки по нескольким свойствам, отражающим различные стороны этого процесса.

89

Стремясь получить более полную информацию об изменениях, происходящих в бетоне под воздействием климатической среды, исследователи увеличивают число изучаемых характеристик свойств бетона и переходом к изучению характеристик структуры. Увеличение количества изучаемых характеристик свойств и структуры бетонов, твердевших или испытывающих воздействие климата, позволяет получить более полные данные об изменениях бетона под воздействием климата, но создает затруднения при сопоставлении экспериментальных данных различных исследователей и практически не решает вопросов, связанных с оценкой сравнительной информативности этиххарактеристик.

Исследованиями НИИЖБ и МИСИ установлено, что процессы разрушения бетона при различных циклических воздействиях сред можно анализировать с единых позиций. Для прогноза стойкости могут быть использованы как характеристики макроструктуры, так и показатели микроструктурного уровня. Высказано мнение, что при переходе от начальных этапов разрушения к конечным прогноз стойкости с помощью только микроструктурысущественно ограничивает его точность.

Анализ критериев оценки стойкости бетонов в условиях воздействия климата показывает тенденцию исследователей к поиску наиболее информативного отклика системы (бетона) на возмущающий сигнал (воздействие климата). Установлено, что деструкция бетона под воздействием климата представляет собой физический процесс постепенного повреждения структуры, что не исключает возможности прогнозирования деструкции во времени. Причем оценку стойкости, характеристики свойств и структуры бетона и показателей среды необходимо анализировать в комплексе. Наименее исследованным является процесс образования трещин и накопление повреждений, а также выбор характеристик свойств и структуры, достаточно полно характеризующих изменения, происходящиев бетоне под воздействием климатической среды.

Анализ состояния вопроса показал, что результаты выполненных до настоящего времени исследований еще не дают возможности сделать достаточно надежные обобщения и предложить рекомендации по оценке и прогнозированию долговечности бетона, испытывающего негативное воздействие климата.

Отсутствие единой методики проведения исследований и критерия оценки состояния бетона, испытывающего негативное воздействие природных условий климата, затрудняет сопоставление эксперимен-

90