автореферат диссертации по строительству, 05.23.17, диссертация на тему:Нестационарные колебания балочных систем при переходных режимах воздействия подвижной нагрузки

На правах рукописи

Будковой Алексей Николаевич

НЕСТАЦИОНАРНЫЕ КОЛЕБАНИЯ БАЛОЧНЫХ СИСТЕМ ПРИ ПЕРЕХОДНЫХ РЕЖИМАХ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПОДВИЖНОЙ НАГРУЗКИ

05.23.17 - Строительная механика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

1 и Д.ПР 231

Воронеж-2014

005546918

005546918

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Воронежский государственный архитектурно-строительный университет».

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент

Гриднев Сергей Юрьевич

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Коробко Андрей Викторович

- кандидат технических наук, доцент Алексейцев Анатолий Викторович

Ведущая организация - Воронежский филиал

ОАО «ГипродорНИИ», г. Воронеж

Защита состоится 16 мая 2014 г. в 1300 часов на заседании диссертационного совета Д 212.033.01 в аудитории 3220 при Воронежском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 394006, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84, корп. 3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского ГАСУ и на сайте http://edu.vgasu.vrn.ru/SiteDirectory/DisSov/default.aspx.

Автореферат разослан марта 2014 года.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просьба присылать по адресу университета: 394006, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84, Воронежский ГАСУ.

Учёный секретарь диссертационного совета Д 212.033.01

Власов Виктор Васильевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Рост экономики и бурное развитие рыночных отношений в нашей стране за последние 20 лет, а также подготовка к проведению крупнейших мировых спортивных соревнований существенно увеличили объем грузоперевозок автомобильным транспортом. Изменились при этом и условия эксплуатации транспортных сооружений. Исследования ряда авторов показывают, что режим движения с переменной скоростью, включая режимы разгона и торможения, на сегодняшний день составляет до 75 % всего ездового цикла, что делает неравномерное движение наиболее приближенным к реальным условиям эксплуатации. В сложившейся ситуации стали проявляться новые качественные и количественные особенности поведения балочных систем под воздействием подвижной нагрузки. При этом существенно увеличились объемы перевозок по автомобильным дорогам нашей страны нефтепродуктов, сжиженных газов, плодоовощных соков, молока и других жидких грузов. Динамика неравномерного движения особенно важна для автомобилей, транспортирующих в кузовных цистернах жидкие грузы со значительным недоливом, что часто встречается в практике эксплуатации. В таких случаях за счёт физических свойств перевозимых жидкостей (гидравлический удар, большая вязкость и др.) существенно возрастают дополнительные динамические воздействия на несущие конструкции от неравномерности движения.

С другой стороны, развитие и совершенствование методик расчета транспортных сооружений привело к снижению их материалоемкости и более полному использованию резервов прочности и долговечности. В условиях возрастания динамического воздействия подвижной нагрузки и одновременного снижения веса самих пролетных строений динамические явления становятся определяющими и поэтому требуют более глубокого изучения, а анализ колебательных процессов транспортных сооружений при таких условиях эксплуатации приобретает важное практическое значение.

Исследования динамического воздействия движущегося автотранспорта на упругие несущие системы транспортных сооружений в классических работах выполнялись в предположении, что скорость подвижной нагрузки постоянна. И до последнего времени в литературе по динамике сооружений вопросу влияния переходных режимов движения было уделено недостаточно внимания.

Настоящее исследование посвящено изучению режимов движения подвижной нагрузки, которые максимально приближены к реальным условиям эксплуатации и наиболее опасны с точки зрения возникновения повышенного динамического воздействия на транспортные сооружения, а также оценке особенностей влияния динамических свойств транспортных средств с жидкими грузами на НДС несущих конструкций.

Целью диссертационной работы является создание методик динамического расчета совместных колебаний балочных систем и подвижной нагрузки при переходных режимах движения для определения нагрузок на пролетные

строения и разработка плоских динамических моделей специализированных видов подвижной нагрузки. Для достижения этой цели решаются следующие основные задачи:

- создание вычислительных алгоритмов и программ для динамического расчета балочных систем на проезд транспортных средств при переходных режимах движения;

- создание методик определения динамического давления на недеформи-руемую проезжую часть моделирующих автомобили механических систем при переходных режимах движения;

- разработка плоских динамических моделей автотранспортных средств с наполненным жидкостью кузовом без учета и с учетом подвижности жидкости при неравномерном движении;

- проведение численных исследований с использованием разработанных программ для оценки влияния переходных режимов и колебаний жидкости в полости механической системы при ее движении по несущей конструкции;

- изучение реакции балочных систем на натурных объектах путем измерения параметров колебаний при переменных скоростях движения автомобилей с твердыми и жидкими грузами.

Научная новизна работы:

• разработаны алгоритмы расчета совместных колебаний балочных конструкций и движущихся с переменными скоростями инертных механических систем, моделирующих современные транспортные средства;

• усовершенствованы существующие динамические модели автотранспортных средств для изучения переходных режимов движения, отличающиеся расширенным подходом к описанию инерционных характеристик, режимов и параметров неравномерности движения;

• разработаны новые динамические модели движущихся транспортных средств с жидкими грузами;

• развиты методики определения динамического давления механических систем с полостями, содержащими жидкость, на несущую конструкцию с учетом гидравлического удара, разбиения полости на отсеки и демпфирующих свойств жидкости;

• впервые выполнена оценка влияния режимов неравномерного движения и подвижности жидкости в кузове транспортного средства, получены новые данные о динамических коэффициентах и параметрах колебаний балочных систем;

• получены новые экспериментальные данные о параметрах совместных колебаний транспортных средств и пролетных строений на основе разработанной методики натурных измерений для переходных режимов движения с использованием фотометрической установки.

Достоверность научных положений и результатов, сформулированных в диссертации. Разработанные в диссертации расчетные методики основаны на

использовании апробированных классических методов строительной механики и численных методов динамического расчета, обеспечивающих получение устойчивых решений. Адекватность разработанных новых моделей подвижной нагрузки подтверждена сходимостью результатов расчетов при предельных переходах от переменной скорости к постоянной и от жидких грузов к твердым. Также проверена достоверность результатов численных исследований сопоставлением с теоретическими и экспериментальными данными других авторов и выполненными в диссертации натурными измерениями.

Практическая ценность работы заключается в создании алгоритмов и вычислительных комплексов на их базе с целью получения необходимых для проектных и эксплуатационных организаций данных об особенностях динамического воздействия современных автомобилей на покрытия автомобильных дорог, проезжую часть мостовых сооружений, ригели рам и эстакады промышленных предприятий при переходных режимах движения. При этом важным для принятия обоснованных проектных решений является учет подвижности жидкости в кузовах автоцистерн при неравномерном движении. Программы широко апробированы в ходе ряда вычислительных и натурных экспериментов и могут быть рекомендованы к практическому внедрению.

На защиту выносятся:

методика динамического расчета совместных колебаний балочных систем и транспортных средств с твердыми и жидкими грузами при неравномерном движении;

^ методика определения динамического воздействия подвижной нагрузки на недеформируемую проезжую часть при торможении и разгоне с введением переходных участков нарастания ускорения;

плоская динамическая модель механической системы для изучения переходных режимов движения, отличающаяся расширенным описанием инерционных характеристик и параметров движения;

^ ориентированная на использование при расчетах несущих конструкций динамическая модель механической системы с полостью, частично заполненной жидкостью, для изучения неравномерного движения;

методика и результаты натурных измерений совместных колебаний балочных несущих систем и автомобилей с твердыми и жидкими грузами при переходных режимах движения с помощью оптического измерителя.

Апробация работы проведена путём представления и обсуждения докладов на 59 - 66 научных конференциях в Воронежском ГАСУ в 2006 - 2013 годах, научно-технических конференциях различных уровней (Воронеж, 2007 -2010 г.; Тула, 2007 - 2012 г.; Самара, 2011 г.; Тамбов, 2012 г.), а также на научно-практических конференциях, проводимых совместно с проектными и научно-исследовательскими организациями строительной отрасли в ВГАСУ, по проблемам прочности, живучести и надежности строящихся, эксплуатируемых

и реконструируемых зданий и сооружений промышленного и гражданского назначения и мостов.

Публикации: основное содержание диссертационной работы изложено в 17 публикациях, 4 из которых включены в перечень ВАК ведущих рецензируемых журналов.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и 2 приложений. Содержит 188 страниц, в том числе 132 страницы машинописного текста, 85 рисунков, 11 таблиц, 194 наименования использованной литературы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность выбранной темы диссертационной работы, определяются цели и задачи исследований по изучению воздействия подвижной нагрузки в условиях неравномерного движения, указывается на особое значение переходных режимов движения для специализированного транспорта и автоцистерн. Отмечается научная новизна и практическая ценность диссертационной работы.

В первой главе анализируется современное состояние исследований по рассматриваемой тематике, затрагивается история вопроса, обозначается важность изучения нагрузок и воздействий на сооружения как отдельного направления исследований. Предлагается разделить комплексную задачу совместных колебаний «подвижная нагрузка + несущая конструкция» на три составляющие: динамику транспортных средств, колебания резервуаров, заполненных жидкостью, и собственно динамический расчет балочных систем на подвижную нагрузку. Далее в главе проводится краткий обзор развития науки по каждому из этих направлений.

В классической постановке, предложенной академиком А.Н. Крыловым еще в начале прошлого века, подвижная нагрузка считается безынерционной, а ее движение равномерным. Одним из способов учета нагрузки на мост от неравномерного движения является приведение ее к сосредоточенной продольной силе, приложенной в центр жесткости сечения балки. В работах Ю.А. Митро-польского приводится решение задачи поперечных колебаний стержня, находящегося под воздействием неинертной силы, пульсирующей с переменной частотой и движущейся с переменной скоростью. Указывается на существенное увеличение амплитуд колебаний при учете неравномерности движения.

Сложность решения задач динамики цистерн привела к тому, что первоначально теоретические расчеты выполнялись на основе предположения, что жидкость "заморожена", а максимальная сила продольного давления жидкости на стенку цистерны равна удвоенному значению силы инерции массы "твердой" жидкости. Однако результаты многочисленных экспериментов показали, что такая замена приводит к существенным не только количественным, но и качественным погрешностям.

Ряд работ, выполненных в БелГУТе при участии А. О. Шимановского, посвящен модели транспортного средства, перевозящего жидкость, в которой поведение жидкости моделировалось методом конечных элементов. Установлены особенности распределения давлений жидкости на оболочку котла цистерны при ее замедлении. Там же на основе применения теории распространения волн в сплошных средах с помощью преобразований Лапласа выполнен анализ гидроудара в котле цистерны.

Наиболее полно учитывает свойства жидкости ее модель в виде сплошной среды, движение которой подчиняется уравнениям Навье-Стокса и неразрывности. C.B. Беспалько получил квазиодномерное уравнение движения жидкости в котле цистерны на основе теории мелкой воды. Дальнейшее решение ведется на основе метода характеристик и метода Эйлера.

Динамическое воздействие подвижной нагрузки стало объектом исследования с середины XIX века. Основополагающими работы были выполнены Дж. Стоксом, А.Н. Крыловым, С.П. Тимошенко, С.Е. Инглисом, А. Шаленкампом, В.В. Болотиным, А.Б. Моргаевским. Различные динамические модели и расчетные методы в разное время были предложены A.B. Александровым, Н.Г. Бондарем, И.И. Казеем, В.А. Киселевым, С.И. Конашенко, Ю.Г. Козьминым, С.С. Кохманюком, Г.В. Муравским, В.М. Мучниковым, А.П. Филипповым, JI. Фры-бой, A.M. Масленниковым, Г.М. Кадисовым. Существенный вклад в развитие теории динамического воздействия автомобилей на пролетные строения мостов на основе методов статистической динамики внесли сотрудники кафедры строительной механики ВИСИ под руководством А.Г. Барченкова и B.C. Саф-ронова.

Известны 4 варианта постановки задачи колебаний упругих систем под действием подвижной нагрузки в зависимости от учета их инертных свойств. В диссертационной работе развит подход, предусматривающий учет инертных свойств как несущих конструкций, так и самой подвижной нагрузки.

В последние годы появилось много работ, основанных на моделировании подвижной нагрузки методом конечных элементов, однако универсальной модели на данный момент так и не существует.

Анализ публикаций позволил сделать вывод о том, что на сегодняшний день практически отсутствуют рекомендации по учету динамического воздействия специализированных транспортных средств при неравномерном движении в зависимости от его режимов и параметров.

Вторая глава диссертации посвящена уточнению существующих моделей подвижной нагрузки для исследования переходных режимов, связанных с резким изменением скорости, а также разработке методики и программ для учета неравномерности движения при определении динамического давления на проезжую часть. Описаны наиболее распространенные с позиции наибольшего воздействия модели транспортных средств в задачах динамики, методика учета неровностей профиля, характеристики режима неравномерного движения.

За основу взята модель автомобиля, представляющая собой плоскую систему твёрдых тел, соединённых между собой и покрытием дороги нелинейно деформируемыми двухсторонними упруго-диссипативными связями.

При учете неравномерности движения в уравнение угловых колебаний кузова системы дифференциальных уравнений вводятся горизонтальные силы инерции, которые перераспределяются на оси автомобиля.

Аналогичная динамическая модель построена для автопоезда седельного типа с колесной формулой 3+2 (системы с восемью степенями свободы) с введением допущения, что в шарнире сцепки не возникает горизонтальной составляющей усилия.

Для оценки динамического эффекта, возникающего при движении автомобиля по упругой несущей системе, используется динамический коэффициент.

Численные расчеты и визуализация результатов выполнены с привлечением пакета моделирования динамических и событийно управляемых систем ЭттиПпк вычислительного комплекса МАТЬАВ. Для интегрирования использован метод Рунге-Кутты 4-5 порядков как наиболее универсальный. Для всех предложенных моделей в диссертационной работе приводятся блок-схемы БшшНпк с описанием использованных блоков.

Для моделирования приняты геометрические характеристики реального автомобиля - трехосной автоцистерны 66052 на базе КамАЗ.

Диапазоны изменения параметров, принятых при исследовании неравномерного движения, приведены в табл. 1. Некоторые результаты представлены на рис. 1.

Таблица 1

Параметры равнопеременного движения

Параметр Величина

торможение разгон

Диапазон ускорений (по модулю), м/с2 1-6 1 -4

Начальная скорость, м/с 20 0

Конечная скорость, м/с 0 20

Режим движения равнозамедленное равноускоренное

Далее в главе рассматривается равномерное и равнопеременное движение автомобиля с учетом кинематического возмущения на примере характерного участка профиля асфальтобетонного покрытия, находящегося в удовлетворительном состоянии. Наличие неровностей проезжей части существенно влияет на характер колебаний давлений осей как при равномерном, так и при неравномерном движении. При учете профиля в данном случае динамический эффект от неравномерности движение усиливается при торможении для передней оси на 3 - 10 %, для задней оси - на 38 - 67 %, при разгоне для передней оси - на 35 -48 %, для задней оси - на 54 - 42 %.

а) б)

Рис. 1. Графики изменения давлений осей автомобиля при торможении: а — передней оси; б — задней оси

При переходных режимах движения в ряде случаев динамические давления могут вдвое и более превышать аналогичные величины, полученные для равномерного движения, что указывает на необходимость рассмотрения именно неравномерного движения как определяющего повышенное воздействие на транспортные сооружения. Саму же задачу определения максимальных динамических давлений в случаях неравномерного движения следует решать именно в динамической постановке, а не из квазистатического анализа.

Третья глава диссертационной работы посвящена разработке методики расчета колебаний механических систем, моделирующих транспортные средства с жидкими грузами (далее "автоцистерны") с учетом подвижности жидкости в кузове в плоской постановке для оценки их динамического воздействия на транспортные сооружения. Рассматриваются два принципиально различных подхода к моделированию продольных колебаний жидкости в полости (далее "котле") цистерны: на основе замены жидкого груза твердым аналогом и на основе общих уравнений гидродинамики с использованием теории мелкой воды; оценивается их применимость для поставленной задачи.

Особенностью моделирования колебаний автоцистерны с существенным недоливом является необходимость учета колебаний жидкости внутри котла. Учет продольных колебаний жидкости в резервуаре выполнен с помощью механической модели, в которой жидкость заменяется эквивалентным твердым телом, а сила взаимодействия жидкости с емкостью прямо пропорциональна относительному перемещению названного тела: Р = с х (в случае отсутствия демпфирования). При этом считается, что часть массы т0, находящаяся в нижней области емкости, не участвует в колебаниях по отношению к резервуару цистерны (рис. 2). При создании модели рассмотрен случай колебаний жидкости массой тж и плотностью рж в сосуде, имеющем форму параллелепипеда с размерами /х&х/г^,,. Если высота уровня жидкости /г, то масса жидкости т„, участвующая в колебаниях по форме с номером п и частотой со„, соответствующий коэффициент жесткости с„ и расстояние /;„ определяются по формулам (1).

кл ] Луг

ел - _ГГ сл

- кат. ру_; ка

' т~а цм. жидкости

пи,® л

тг(2и-1)у

Л

(2п-\)л

И (2п-\у л

1к

--т.- 8

(2и-1)*у

° 2

Я_

Л (2«-1)2л-2 , „ «Л

(1)

, ... (2 л-1)*

I [ 2/

А (2«-1)л-

Рис. 2. Схема механической модели

Уравнение колебаний п-го груза примет вид

«„(*„ +КФ) + кЛ+с„хп-тпё<р-т„а = 0, (2)

где (р — угол поворота кузова (механической части) автоцистерны.

Результаты расчетов показали, что массы эквивалентных грузов, соответствующих второй и последующим формам колебаний жидкости, на порядок меньше, чем первой, и их учет не оказывает существенного влияния на движение системы.

Для учета гидроудара после замачивания потолка жёсткость с„ увеличивается по экспоненциальной зависимости, предложенной А.О. Шимановским на основе анализа результатов многочисленных вычислительных экспериментов:

с„-ехр

(3)

где х°п - смещение п-го груза в момент замачивания потолка; х"'" - максимально возможное смещение п-го груза.

Величины х" и в зависимости от уровня наполнения цистерны находятся из геометрических соображений.

Основным средством для снижения влияния колебаний жидкости на динамику автоцистерн в настоящее время является разбиение цистерн на отдельные отсеки. Для удобства анализа при дальнейших расчетах отсеки приняты одинаково объема и наполнения.

Плоская динамическая модель автоцистерны с учетом подвижности жидкости и разбиения на отдельные отсеки в общем случае имеет вид, представленный на рис. 3.

--/7? 77Г--°>-------

Рис. 3. Плоская динамическая модель автоцистерны с учетом разбиения на отсеки

С учетом подвижности жидкости и деления полости цистерны на отсеки уравнение угловых колебаний кузова принимает вид (0т+0ж_„гр)- ф(0 + ^(V,,у,)■■ ат(0■- ^ (у,,у2)• кг(0 -тта-ст -

-^тша-(ст+1г„Т1)-^Р„,-(ст+И„т:) = О, (4)

где вт и 0Ж - постоянная и переменная составляющие момента инерции системы;

-усилия в рессорах; ат(1), 6, (0 - расстояния до ц.т. соответственно от первой и второй оси; су- - расстояние от ц.т. пустой автоцистерны до дорожного покрытия; тт— масса механической (твердой) части системы; а = К(<) - установившееся ускорение;

Ьот, Кт~ расстояния от линий действия соответствующих сил до ц.т. пустой автоцистерны; / - количество отсеков;

и - число удерживаемых форм колебаний свободной поверхности жидкости.

Результаты расчета торможения автоцистерны без отсеков приведены на рис. 4. Величина ускорения - 3 м/с2, уровень заполнения - 95 %, плотность жидкости - 1000 кг/м3.

На рис. 5 представлены графики давлений осей, иллюстрирующие, как деление полости цистерны на отсеки снижает уровень динамического давления в предложенной модели.

Следует отметить и еще одну принципиальную особенность колебаний специализированного транспорта с жидкими грузами - нелинейную зависимость динамического эффекта от уровня заполнения котла. В диапазоне исследуемых ускорений 1-6 м/с2 наиболее опасными с точки зрения возникновения дополнительных давлений на пролетные строения можно считать 80 -90 % заполнения автоцистерн без деления на отсеки и более 95 % при делении на отсеки.

б)

Рис. 4. Графики изменения динамических давлений осей автоцистерны при торможении с ускорением 3 м/с2 с учетом и без учета предложенной зависимости для гидроудара: а - передней оси; б - задней оси

а)

б)

260

6«J отсмов — г от<и£» — з отсма

t,c

Рис. 5. Графики изменения динамических давлений осей автоцистерны при торможении с ускорением 6 м/с2 с учетом деления цистерны на отсеки: а - передней оси; б - задней оси

Учет подвижности жидкости по разработанной модели увеличивает максимальные значения давлений осей в 1,4 - 2,28 раза для передней оси и 1,05 -1,48 раза для задней оси в зависимости от количества отсеков.

Далее в главе использован второй подход к моделированию подвижности жидкости в котле железнодорожной цистерны, предложенный проф. C.B. Бес-палько. Система уравнений колебаний жидкости в частных производных строится на основе уравнений Навье-Стокса и неразрывности, которые впоследствии преобразуются при помощи метода характеристик. Гидродинамические давления вычисляются в зависимости от вида граничных условий.

Максимальная горизонтальная сила инерции, вычисленная по предложенной модели, существенно превышает аналогичную силу инерции, получаемую в предположении, что жидкость "заморожена", или с использованием механического аналога. Ограниченность области применения теории мелкой воды к колебаниям автоцистерн продиктована их геометрическими размерами и наличием отсеков, податливостью котла в продольном направлении, вязкостью жидкости, наличием успокоителей. Удовлетворительное совпадение макси-

мальных динамических давлений по обеим моделям получено при малых уровнях заполнения котла и небольших ускорениях.

В четвертой главе рассмотрены совместные колебания механических систем, моделирующих транспортные средства с твердыми и жидкими грузами, при переходных режимах движения и несущих балок. При этом процесс взаимодействия подвижных нагрузок с балочными системами рассматривается в детерминированной форме на примере мостовых сооружений.

Расчетная схема пролетного строения принята в виде часто используемой однопролетной шарнирно опертой балки (рис. 6).

X

Рис. 6. Схема для описания совместных колебаний

Дифференциальное уравнение вертикальных колебаний балки имеет вид

где ть - погонная масса балки, £/г - изгибная жесткость балки, к0 - коэффициент внутреннего трения, Л, - динамическое давление, 8(х - х,) - дельта функции Дирака, {'/[г-'¡"Ч-'Я'-'*]} ~ единичные функции, соответствующие моментам захода 10(ч) и схода 11(ч) нагрузки.

Решение ищется в виде разложения по собственным формам с использованием алгоритма Бубнова-Галеркина, в котором в качестве базисных используем собственные функции изолированного шарнирно опертого стержня:

УШ) = Е /ДО ■)',(*)- (6)

Подставляя (6) в (5), для определения функций времени /у(1) получаем совокупность из п дифференциальных уравнений второго порядка:

/,(') +'/„(0 + <»„2 ■Л(') = -ГДх,^, у= 1, 2... (7)

Полная система уравнений, описывающая совместные колебания «подвижная нагрузка + несущая конструкция», будет состоять из дифференциальных уравнений колебаний механической системы с учетом уравнения (4) и уравнений колебаний пролетного строения (6) и (7). В диссертационной работе разработана обобщенная модель ЗптшПпк для такой колебательной системы, объединяющая расчетные блоки «подвижная нагрузка», «профиль», «жидкость» и «несущая конструкция» в одном вычислительном пространстве.

)» 1у,(хЛ)

Расчеты показали, что для переходных режимов движения с приемлемой точностью для всех координат пролетного строения достаточно удерживать 1-3 собственные формы.

Колебания пролетного строения можно рассматривать как сочетание чисто вынужденных и сопровождающих свободных колебаний. В большинстве случаев для железобетонных и сталежелезобетонных мостов малых и средних пролетов (30 - 45 м) при движении по ним одиночных автомобилей резонансные явления маловероятны. Наиболее распространенные периоды воздействия движущихся инертных систем находятся в пределах 0,6 - 0,8 с, в то время как период собственных колебаний таких мостов, соответствующий низшей форме, редко превышает 0,4 с. Для малых и средних пролетов также характерно незначительное влияние обратной связи, которое объясняется кратковременностью взаимодействия моста и нагрузки и тем, что перемещения пролетных строений малы по сравнению с колебаниями движущихся инертных систем.

Воздействие подвижной нагрузки оценено динамическим коэффициентом по прогибам. В качестве исследуемого (расчетного) сечения принята середина балки.

При изучении динамического эффекта на пролетном строении помимо величины ускорения определено сечение или часть пролета в комбинации с длительностью процесса торможения, когда будет достигаться максимальный динамический эффект. На рис. 7, а приведены графики изменения прогибов центрального сечения в зависимости от участка торможения при а = 6 м/с2. На рис. 7, б показана зависимость динамических прогибов от величины ускорения при торможении в начале пролета.

В целом результаты расчетов показали, что наиболее опасным с точки зрения дополнительных нагрузок на пролетные строения можно считать начало торможения в пределах первой половины пролета. Это вызвано тем, что суммарное динамическое давление от всех осей автомобиля в этом случае достигает максимума ближе к центральному (расчетному) сечению, вызывая наибольшие прогибы и усилия в конструкциях.

а)

б)

Е

Рис. 7. Колебания прогибов центрального сечения при торможении автомобиля: а - с ускорением 6 м/с2 в различных частях пролета; б - с различными ускорениями

в начале пролета

Максимальные динамические коэффициенты были получены при торможении в начале пролета с ускорением 6 м/с2 - 1,26, при разгоне в начале пролета с ускорением 4 м/с2- 1,27.

На следующем этапе исследования рассмотрена подвижная нагрузка в виде транспортного средства с жидким грузом. Для иллюстрации максимального динамического эффекта от учета подвижности жидкости по результатам исследований, приведенным в главе 3, принят уровень заполнения котла, дающий при каждом значении ускорения максимальное динамическое давление. Результаты вычислительного эксперимента представлены на рис. 8 при торможении в начале пролета.

а) б)

О 05 1

Рис. 8 - Прогибы середины пролета при различных уровнях наполнения и разбиении на отсеки: а - без отсеков; б - с тремя отсеками

Отличительной особенностью совместных колебаний с учетом подвижности жидкости по модели, разработанной в главе 3, является тот факт, что частота вынужденных колебаний в этом случае зависит от геометрических размеров объема жидкости, количества отсеков, наличия свободной поверхности и возможности появления гидроудара, а также величины ускорения. Частотный анализ воздействия подвижной нагрузки показал, что учет гидравлического удара за счет введения экспоненциальной зависимости существенно увеличивает частоту вынужденных колебаний, что приближает периоды воздействия такой нагрузки к полученным без учета подвижности жидкости. При небольших ускорениях это 0,6 - 0,7 с. С увеличением ускорения и появлением гидроудара жесткость пружины в предложенной модели существенно возрастает, увеличивая частоту воздействия подвижной нагрузки. В рассмотренном примере периоды воздействия 0,3 - 0,4 с достигаются при заполнении цистерны около 85 % без отсеков и торможении с ускорением 6 м/с2. В этом случае наряду с существенным увеличением динамических давлений осей могут наблюдаться еще и резонансные явления, что делает такой режим эксплуатации (эксплуатационный недолив 10-20 % при отсутствии отсеков и гасителей колебаний) крайне опасным для пролетного строения.

Максимальные динамические коэффициенты для прогиба середины пролета, обобщающие исследования с учетом подвижности жидкости, сведены в табл. 2.

Таблица 2

Максимальные динамические коэффициенты

Величина ускорения, м/с2 Место начала торможения Количество отсеков Макс, динамич. коэффициент по жидкости Макс. сум. динамич. коэффициент, 1+Ц

6 начало пролета без отсеков 2,54 3,25

2 1,51 1,93

3 1,29 1,65

В пятой главе изложены результаты натурных измерений. В ней описана их методика, программа испытаний, основные результаты экспериментальных исследований и сопоставление их с расчетами по предложенной в предыдущих главах методике. Измерения выполнены с помощью оптического измерителя, конструкция которого, методика использования и программное обеспечение для обработки результатов разработаны В.В. Волковым.

В ходе экспериментальных исследований изучались колебания транспортных сооружений при движении автомобилей с постоянной скоростью, в режиме торможения, в том числе и автоцистерны с различным уровнем эксплуатационного недолива.

Тестирование оптического измерителя с применением разработанной методики натурных измерений колебаний при неравномерном движении было выполнено на сталежелезобетонном пролетном строении моста через р. Дон на км 423+580 автомагистрали М-4 «Дон» вблизи г. Задонск. В качестве изучаемых параметров приняты прогиб и перемещение вдоль продольной оси моста середины низа главной балки. Наибольшее значение динамического коэффициента для прогибов низа середины пролетного строения было получено при торможении с начальной скоростью около 80 км/ч в середине пролета и составляет 1,75.

Основным объектом натурных измерений стало пролетное строение ста-лежелезобетонного моста через р. Репец на км 433+740 автомагистрали М-4 «Дон» вблизи г. Задонск. Статическая схема моста - балочная, однопролетная. Оптическим измерителем регистрировались вертикальные и сдвиговые деформации середины пролета. По мосту пропускалась автоцистерна МАЗ-5420 массой 16 т при полной загрузке, с эксплуатационным недоливом около 25 % и 50 %. Результаты, иллюстрирующие максимальный динамический эффект, представлены на рис. 9.

При натурных испытаниях для 50 % заполнения автоцистерны было достигнуто ускорение около 6 м/с2. Для этого случая на рис. 9, б приведены экспериментальный и расчетный графики прогибов среднего сечения.

|-экспериментальны* данные расчетные данньх"]

Рис. 9 - График прогибов середины балки при торможении автоцистерны с разным уровнем заполнения. Сопоставление экспериментальных и теоретических результатов: а - ускорение 5 м/с2 при 75 % заполнения; б - ускорение 6 м/с2 при 50 % заполнения

С учетом основной цели исследования, то есть определения дополнительных воздействий на пролетные строения при переходных режимах движения, сравнение выполнено по максимальной величине прогиба. При таком подходе расхождение находится в пределах 10 % и результат можно считать удовлетворительным. Существенное различие в амплитудах колебаний объясняется рядом неучтенных факторов: рассеянием энергии в материале, трением в опорных частях и различных узлах, поглощением грунтового основания и т.д., точный учет которых затруднителен, а также практической сложностью создания в реальных условиях идеального случая равнозамедленного движения.

Наибольший динамический эффект в рассматриваемом эксперименте при фиксированном ускорении был получен при заполнении котла цистерны около 75 %. При этом наибольший динамический коэффициент для прогибов середины пролета при торможении с ускорением 5 м/с2 составил 1,6. Динамический эффект (максимальные прогибы) при торможении рассмотренной автоцистерны, даже с учетом эксплуатационного недолива, оказывается сопоставимым с динамическим эффектом от движущихся с постоянной скоростью транспортных средств значительно большей массы.

Анализ полученных результатов показал, что динамика переходных режимов требует более глубоко изучения в теории и практике мостостроения по сравнению с существующими подходами. Пренебрежение сложными динамическими явлениями неравномерности движения может привести к недооценке реального напряженно-деформированного состояния пролетных строений. И особенно это характерно для транспортных средств с жидкими грузами, когда существенная подвижность жидкости может вызывать не только количественные, но и качественные отличия от колебательного процесса при равномерном движении.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ публикаций позволил сделать вывод о том, что в современной литературе практически отсутствуют рекомендации по нормированию динамической нагрузки при неравномерном движении в зависимости от его режимов и параметров.

2. Разработанная методика совместных колебаний «подвижная нагрузка + балочная система» позволила прогнозировать поведение несущих конструкций при неравномерном движении инертных механических систем с твердыми и жидкими грузами.

3. Разработаны уточненные модели подвижной нагрузки в виде инертных механических систем, которые могут использоваться для описания переходных режимов движения.

4. Выполнение численных исследований разгона и торможения инертной нагрузки позволяет адекватно оценивать давление на проезжую часть автотранспортного средства в реальных условиях эксплуатации. Основным фактором, определяющим величину динамического эффекта, можно считать ускорение. При равнопеременном движении нагрузки в рассмотренном случае динамические коэффициенты давлений осей составили 1,1 - 2,57 по отношению к статическим значениям.

5. Разработанная механическая модель учета продольных колебаний жидкости внутри резервуара автоцистерны при переходных режимах движения позволила учесть явление гидравлического удара и особенности деления полости цистерны на отсеки. Эта модель может быть использована для динамических расчетов упругих систем на подвижную нагрузку.

6. Выполнены численные исследования разгона и торможения автоцистерны, которые показали необходимость учета подвижности жидкости при переходных режимах движения специализированных транспортных средств. При делении полости цистерны на независимые отсеки динамические коэффициенты, полученные с использованием разработанной методики, существенно снижаются и находятся в пределах 1,12 - 3,6 в зависимости от величины ускорения.

7. Анализ предложенной методики и результатов натурных измерений колебаний балочных пролетных строений показал, что учет неравномерности движения значительно увеличивает динамические нагрузки на несущие конструкции, а транспортные средства с жидкими грузами необходимо выделять в особый вид подвижной нагрузки.

Основные положения и результаты диссертации изложены в работах:

Статьи в изданиях, входящих в перечень ВАК

1. Будковой, А.Н. Моделирование совместных колебаний пролетных строений и автоцистерн с частично наполненными жидкостью кузовами при переходных режимах движения

[Текст] / С.Ю. Гриднев, А.Н. Будковой // Научный вестник ВГАСУ. Строительство и архитектура. - 2009. - Вып. №3. - С. 103-110 (личный вклад - 5 е.);

2. Будковой, А.Н. Натурные измерения колебаний упруго опертого сгалежелезобетонно-го моста при движении по нему автомобиля в режиме торможения [Текст] /С.Ю. Гриднев,

B.В. Волков, А.Н. Будковой // Научный вестник ВГАСУ. Строительство и архитектура. -Вып. № 1 (21), 2010. -С. 18-27 (личный вклад автора 2,5 е.);

3. Будковой, А.Н. Использование механического аналога жидкости для моделирования колебаний автоцистерны при разгоне и торможении [Текст] / С.Ю. Гриднев, А.Н. Будковой // Научный вестник ВГАСУ. Строительство и архитектура. - Вып. X» 1 (21), 2011. - С. 98-106 (личный вклад - 5 е.);

4. Будковой, А.Н. Оценка динамического воздействия автомобиля на путь при торможении и разгоне с учетом кинематического возмущения [Текст] / С.Ю. Гриднев, А.Н. Будковой // Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета. Строительство и архитектура. - Вып. № 3 (23), 2012. - С. 409-415 (личный вклад-4 е.);

Статьи в других журналах и трудах конференций

5. Будковой, А.Н. Методика расчета динамического давления большегрузных транспортных средств при изменении режима движения [Текст] / С.Ю. Гриднев, А.Н. Будковой // Современные методы статического и динамического расчета зданий и сооружений - Воронеж: Научная книга, 2007. - Вып. 4. - С. 79-86 (личный вклад - 5 е.);

6. Будковой, А.Н. Моделирование переходных режимов движения большегрузных транспортных средств [Текст] / С.Ю. Гриднев, А.Н. Будковой // Современные проблемы механики и прикладной математики: сб. тр. междунар. шк.-сем. - Воронеж: [б. и.], 2007. - С. 86-96 (личный вклад - 7 е.);

7. Будковой, А.Н. Оценка уровня динамического давления большегрузных транспортных средств при разгоне и торможении на пролетные строения автодорожных мостов [Текст] /

C.Ю. Гриднев, А.Н. Будковой // Актуальные проблемы строительства и строительной индустрии : сб. мат. VIII междунар. науч.-техн. конф. «Актуальные проблемы строительства и строительной индустрии». - Тула: [б. и.], 2007. - С. 16-18 (личный вклад-1,5 е.);

8. Будковой, А.Н. Особенности динамического давления автоцистерн на пролетные строения автодорожных мостов при торможении [Текст] / С.Ю. Гриднев, А.Н. Будковой // Актуальные проблемы строительства и строительной индустрии : сб. материалов IX Международной науч.-техн. конф. - Тула: [б. и.], 2008. - С. 11-13 (личный вклад - 1,5 е.);

9. Будковой, А.Н. Исследование динамического воздействия автотранспортных средств на пролетные строения мостов при переходных режимах движения [Текст] / С.Ю. Гриднев, А.Н. Будковой // Актуальные проблемы прикладной математики, информатики и механики: сб. тр. междунар. конф. - Воронеж [б. и.], 2009. - Ч. №1. - С. 128-135 (личный вклад - 5 е.);

10. Будковой, А.Н. Моделирование колебаний автоцистерны при торможении с использованием механического аналога жидкости [Текст] / С.Ю. Гриднев, А.Н. Будковой // Актуальные проблемы прикладной математики, информатики и механики: сб. трудов междунар. конф. - Воронеж: ИПЦ ВГУ, 2010 - С. 125-131 (личный вклад - 4 е.);

11. Будковой, А.Н. Натурные измерения колебаний пролетного строения сталежелезобе-тонного моста при движении по нему автоцистерны в режиме торможения [Текст] / С.Ю. Гриднев, А.Н. Будковой // Актуальные проблемы строительства и строительной индустрии : сбор, материалов XI Международной научно-технической конференции. - Тула : [б. и ], 2010.-С. 16-18 (личный вклад-1 е.);

12. Будковой, А.Н. Совершенствование модели автоцистерны с использованием механического аналога жидкости для исследования переходных режимов движения [Текст] / С.Ю. Гриднев, А.Н. Будковой // Актуальные проблемы динамики и прочности материалов и кон-

и

струкций: модели, методы, решения: Материалы Н-ой междунар. дистанционной науч.-техн. конф. - Самара: [б. и.], 2011. - С. 58-61 (личный вклад- 2 е.);

13. Будковой, А.Н. Анализ особенностей динамического воздействия автоцистерн на автодорожные мосты при гидроударе с использованием механической модели жидкости [Текст] / С.Ю. Гриднев, А Н. Будковой // Актуальные проблемы строительства и строительной индустрии : сбор, материалов XII междунар. науч.-техн. конф. - Тула : [б. и.], 2011. -С. 10-13 (личный вклад - 1,5 е.);

14. Будковой, А.Н. Динамическое воздействие автоцистерн с отсеками на путь при учете гидроуда [Текст] / С.Ю. Гриднев, А.Н. Будковой // Строительная механика и конструкции. -2012. - Вып. № 1 (4). - С. 115-121 (личный вклад - 4 е.);

15. Будковой, А.Н. Обобщение результатов численных исследований динамического воздействия подвижной нагрузки при торможении и разгоне на транспортные сооружения [Текст] / С.Ю. Гриднев, А.Н. Будковой // Актуальные проблемы строительства и строительной индустрии : сб. материалов XIII междунар. науч.-техн. конф. - Тула : [б. и.], 2012. - С. 913 (личный вклад автора - 2 е.);

16. Будковой, А.Н. Динамическое воздействие седельного автопоезда на транспортное сооружение при торможении [Текст] / С.Ю. Гриднев, А.Н. Будковой // Наука и образование : сб. науч. тр. по материалам междунар. заочной науч.-практич. конф. - Тамбов : [б. и.], 2012. - Ч. 5. - С. 31-35 (яичный вклад - 2,5 е.);

17. Будковой, А.Н. Колебания балочных систем при переходных режимах движения одиночного автомобиля [Текст] / С.Ю. Гриднев, А.Н. Будковой // Строительная механика и конструкции. -2013. - Вып. № 1 (6). - С. 84-91 (личный вклад - 5 е.);

Свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ

18. Будковой, А.Н. Задача о колебаниях балок с произвольными условиями закрепления при подвижной нагрузке в постановке А.М. Крылова [Текст] ! С.Ю. Гриднев, А.Н. Будковой. -Москва: ВНТИЦ, 2008. - № 50200801504. - 1 е.;

19. Будковой, А.Н. Колебания транспортных средств повышенной грузоподъемности при разгоне и торможении [Текст] / С.Ю. Гриднев, А.Н. Будковой. - Москва: ВНТИЦ, 2008. — № 50200800011;

20. Будковой, А.Н. Расчет колебаний автоцистерны с учетом подвижности жидкости: свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ № 50201250359 (РФ) (ВНТИЦ) / Воронежский ГАСУ [Текст] / С.Ю. Гриднев, А.Н. Будковой. - Дата поступления 12.03.2012.

Будковой Алексей Николаевич

НЕСТАЦИОНАРНЫЕ КОЛЕБАНИЯ БАЛОЧНЫХ СИСТЕМ ПРИ ПЕРЕХОДНЫХ РЕЖИМАХ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПОДВИЖНОЙ НАГРУЗКИ

Подписано в печать 14.03.2014 г. Формат 60><84 1/16. Бумага писчая. Усл. печ. л. 2,0. Тираж 100 экз. Заказ № 103

Отпечатано: отдел оперативной полиграфии издательства учебной литературы и учебно-методических пособий Воронежского ГАСУ 394006 Воронеж, ул. 20-лет Октября, 84

Министерство образования и науки РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Воронежский государственный архитектурно-

строительный университет»

На правах рукописи

04201457923

Будковой Алексей Николаевич

НЕСТАЦИОНАРНЫЕ КОЛЕБАНИЯ БАЛОЧНЫХ СИСТЕМ ПРИ ПЕРЕХОДНЫХ РЕЖИМАХ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПОДВИЖНОЙ НАГРУЗКИ

Специальность 05.23.17 - Строительная механика

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Гриднев С.Ю.

Воронеж-2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................5

1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО РАССМАТРИВАЕМОЙ ТЕМАТИКЕ. ОБОСНОВАНИЕ АКТУАЛЬНОСТИ И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ......................................................................................11

1.1 Основные этапы развития теории воздействия подвижной нагрузки.......12

1.2 Обзор исследований по динамике систем, содержащих полости с жидкостью..............................................................................................................15

1.3 Развитие теории динамического расчета транспортных сооружений на подвижную нагрузку.............................................................................................23

1.4 Выводы по главе..............................................................................................37

2 ОЦЕНКА ОСОБЕННОСТЕЙ ДИНАМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ПОДВИЖНОЙ НАГРУЗКИ ПРИ ПЕРЕХОДНЫХ РЕЖИМАХ ДВИЖЕНИЯ. 38

2.1 Современные модели транспортных средств...............................................38

2.2 Учет неровностей проезжей части и прогибов пролетных строений........44

2.3 Описание переходных режимов.....................................................................46

2.4 Плоская динамическая модель автомобиля для изучения переходных режимов движения.................................................................................................48

2.5 Расчет колебаний автомобиля при движении с постоянным ускорением по абсолютно гладкому профилю.............................................................................52

2.6 Расчет колебаний автомобиля при движении с постоянным ускорением по заданному профилю проезжей части...................................................................62

2.7 Выводы по главе..............................................................................................73

3 МОДЕЛИРОВАНИЕ КОЛЕБАНИЙ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ С ЖИДКИМИ ГРУЗАМИ ДЛЯ ОЦЕНКИ ИХ ДИНАМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА БАЛОЧНЫЕ СИСТЕМЫ.....................................................76

3.1 Механическая модель жидкости....................................................................76

3.2 Плоская динамическая модель автоцистерны с учетом продольных колебаний жидкости..............................................................................................86

3.3 Анализ численных исследований колебаний автоцистерны при движении с

постоянным ускорением.......................................................................................93

3.4 Об использовании уравнений сплошных сред для учета подвижности жидкости в кузове цистерны..............................................................................104

3.5 Выводы по главе............................................................................................117

4 СОВМЕСТНЫЕ КОЛЕБАНИЯ БАЛОЧНЫХ СИСТЕМ И СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ АВТОТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ ПРИ ПЕРЕХОДНЫХ РЕЖИМАХ ДВИЖЕНИЯ..........................................................119

4.1 Динамическая модель балочного пролетного строения автодорожного моста. Описание совместных колебаний балочных систем и движущихся транспортных средств в детерминированной постановке..............................120

4.2 Расчет совместных колебаний балочных систем и транспортных средств при переходных режимах движения с использованием МАТЬАВ БтиНпк 127

4.3 Расчет совместных колебаний балочных систем и автоцистерн при переходных режимах движения с учетом подвижности жидкого груза с использованием МАТЬАВ ЭшиНпк..................................................................136

4.4 Выводы по главе............................................................................................143

5 НАТУРНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ КОЛЕБАНИЙ ПРОЛЕТНЫХ СТРОЕНИЙ ПРИ ДВИЖЕНИИ ПО НИМ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ В УСЛОВИЯХ ПЕРЕХОДНЫХ РЕЖИМОВ..................................................................................145

5.1 Общее описание эксперимента. Методика, измерительные средства и программное обеспечение для обработки результатов...................................145

5.2 Численные результаты исследований колебаний упруго опертого пролетного строения в условиях переходных режимов движения................148

5.3 Численные результаты исследований колебаний пролетного строения на жестких опорах при торможении автоцистерны с эксплуатационным недоливом.............................................................................................................154

5.4 Выводы по главе............................................................................................162

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ....................................163

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.......................................................................................165

Приложение А........................................................................................................188

Приложение Б.........................................................................................................189

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. Рост экономики и бурное развитие рыночных отношений в нашей стране за последние 20 лет, а также подготовка к проведению крупнейших мировых спортивных соревнований существенно увеличили объем грузоперевозок автомобильным транспортом. Изменились при этом и условия эксплуатации транспортных сооружений. Исследования ряда авторов показывают, что режим движения с переменной скоростью, включая режимы разгона и торможения, на сегодняшний день составляет до 75 % всего ездового цикла, что делает неравномерное движение наиболее приближенным к реальным условиям эксплуатации. В сложившейся ситуации стали проявляться новые качественные и количественные особенности поведения балочных систем под воздействием подвижной нагрузки. При этом существенно увеличились объемы перевозок по автомобильным дорогам нашей страны нефтепродуктов, сжиженных газов, плодоовощных соков, молока и других жидких грузов. Динамика неравномерного движения особенно важна для автомобилей, транспортирующих в кузовных цистернах жидкие грузы со значительным недоливом, что часто встречается в практике эксплуатации. В таких случаях за счёт физических свойств перевозимых жидкостей (появление гидравлического удара, большая вязкость и др.) существенно возрастают дополнительные динамические воздействия на несущие конструкции от неравномерности движения.

С другой стороны, развитие и совершенствование методик расчета транспортных сооружений привело к снижению их материалоемкости и более полному использованию резервов прочности и долговечности. В условиях возрастания динамического воздействия подвижной нагрузки и одновременного снижения веса самих пролетных строений динамические явления становятся определяющими и поэтому требуют более глубокого изучения, а анализ

колебательных процессов транспортных сооружений при таких условиях эксплуатации приобретает важное практическое значение.

Исследования динамического воздействия движущегося автотранспорта на упругие несущие системы транспортных сооружений в классических работах выполнялись в предположении, что скорость подвижной нагрузки постоянна. И до последнего времени в литературе по динамике сооружений вопросу влияния переходных режимов движения было уделено недостаточно внимания.

Настоящее исследование посвящено изучению режимов движения подвижной нагрузки, которые максимально приближены к реальным условиям эксплуатации и наиболее опасны с точки зрения возникновения повышенного динамического воздействия на транспортные сооружения, а также оценке особенностей влияния динамических свойств транспортных средств с жидкими грузами на НДС несущих конструкций.

Цели и задачи исследования. Основной целью диссертационной работы является создание методик динамического расчета совместных колебаний балочных систем и подвижной нагрузки при переходных режимах движения для определения нагрузок на пролетные строения и разработка плоских динамических моделей специализированных видов подвижной нагрузки. Для достижения этой цели решаются следующие основные задачи:

- создание вычислительных алгоритмов и программ для динамического расчета балочных систем на проезд транспортных средств при переходных режимах движения;

создание методик определения динамического давления на недеформируемую проезжую часть моделирующих автомобили механических систем при переходных режимах движения;

- разработка плоских динамических моделей автотранспортных средств с наполненным жидкостью кузовом без учета и с учетом подвижности жидкости при неравномерном движении;

- проведение численных исследований с использованием разработанных программ для оценки влияния переходных режимов и колебаний жидкости в полости механической системы при ее движении по несущей конструкции;

- изучение реакции балочных систем на натурных объектах путем измерения параметров колебаний при переменных скоростях движения автомобилей с твердыми и жидкими грузами.

Научная новизна работы:

• разработаны алгоритмы расчета совместных колебаний балочных конструкций и движущихся с переменными скоростями инертных механических систем, моделирующих современные транспортные средства;

• усовершенствованы существующие динамические модели автотранспортных средств для изучения переходных режимов движения, отличающиеся расширенным подходом к описанию инерционных характеристик, режимов и параметров неравномерности движения;

• разработаны новые динамические модели движущихся транспортных средств с жидкими грузами;

• развиты методики определения динамического давления механических систем с полостями, содержащими жидкость, на несущую конструкцию с учетом гидравлического удара, разбиения полости на отсеки и демпфирующих свойств жидкости;

• впервые выполнена оценка влияния режимов неравномерного движения и подвижности жидкости в кузове транспортного средства, получены новые данные о динамических коэффициентах и параметрах колебаний балочных систем;

• получены новые экспериментальные данные о параметрах совместных колебаний транспортных средств и пролетных строений на основе разработанной методики натурных измерений для переходных режимов движения с использованием фотометрической установки.

Достоверность научных положений и результатов, сформулированных в диссертации. Разработанные в диссертации расчетные методики основаны на использовании апробированных классических методов строительной механики и численных методов динамического расчета, обеспечивающих получение устойчивых решений. Адекватность разработанных новых моделей подвижной нагрузки подтверждена сходимостью результатов расчетов при предельных переходах от переменной скорости к постоянной и от жидких грузов к твердым. Также проверена достоверность результатов численных исследований сопоставлением с теоретическими и экспериментальными данными других авторов и выполненными в диссертации натурными измерениями.

Практическая ценность работы заключается в создании алгоритмов и вычислительных комплексов на их базе с целью получения необходимых для проектных и эксплуатационных организаций данных об особенностях динамического воздействия современных автомобилей на покрытия автомобильных дорог, проезжую часть мостовых сооружений, ригели рам и эстакады промышленных предприятий при переходных режимах движения. При этом важным для принятия обоснованных проектных решений является учет подвижности жидкости в кузовах автоцистерн при неравномерном движении. Программы широко апробированы в ходе ряда вычислительных и натурных экспериментов и могут быть рекомендованы к практическому внедрению.

На защиту выносятся:

методика динамического расчета совместных колебаний балочных систем и транспортных средств с твердыми и жидкими грузами при неравномерном движении;

методика определения динамического воздействия подвижной нагрузки на недеформируемую проезжую часть при торможении и разгоне с введением переходных участков нарастания ускорения;

^ плоская динамическая модель механической системы для изучения переходных режимов движения, отличающаяся расширенным описанием инерционных характеристик и параметров движения;

^ ориентированная на использование при расчетах несущих конструкций динамическая модель механической системы с полостью, частично заполненной жидкостью, для изучения неравномерного движения;

методика и результаты натурных измерений совместных колебаний балочных несущих систем и автомобилей с твердыми и жидкими грузами при переходных режимах движения с помощью оптического измерителя.

Апробация работы проведена путём представления и обсуждения докладов на 59 - 66 научных конференциях в Воронежском ГАСУ в 2006 - 2013 годах, научно-технических конференциях различных уровней (Воронеж, 2007 -2010 г.; Тула, 2007 - 2012 г.; Самара, 2011 г.; Тамбов, 2012 г.), а также на научно-практических конференциях, проводимых совместно с проектными и научно-исследовательскими организациями строительной отрасли в ВГАСУ, по проблемам прочности, живучести и надежности строящихся, эксплуатируемых и реконструируемых зданий и сооружений промышленного и гражданского назначения и мостов.

Публикации: основное содержание диссертационной работы изложено в 17 публикациях, 4 из которых включены в перечень ВАК ведущих рецензируемых журналов.

В работах [45, 47, 55, 57, 58] автором исследовано и оценено динамическое воздействие одиночных автомобилей и автопоездов седельного типа на транспортные сооружения при переходных режимах движения по гладкому пути и с учетом неровностей профиля проезжей части. Методика учета подвижности жидкости с использованием механического аналога предложена в [46]. В [43, 44, 59] разработана плоская динамическая модель автоцистерны с учетом подвижности жидкости, явления гидроудара и разбиения полости цистерны на независимые отсеки для корректного определения дополнительных нагрузок на транспортные сооружения. Методика

моделирования совместных колебаний балочных систем и автомобилей с твердыми и жидкими грузами посвящены работы [48, 52]. Дополнительно в [48] по разработанным методикам проведены численные исследования и оценены динамические коэффициенты. Натурные измерения рассмотрены в [53, 54]. Там же даны некоторые практические рекомендации по испытаниям мостов балочных схем на проезд в режиме установившегося ускорения автомобилей с жидкими и твердыми грузами. По всем разработанным алгоритмам и методикам составлены вычислительные программы для их реализации на ЭВМ, которые зарегистрированы в ОФПА Агентства по образованию РФ.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и 2 приложений. Содержит 189 страниц, в том числе 132 страницы машинописного текста, 85 рисунков, 11 таблиц, 194 наименования использованной литературы.

и

1 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО РАССМАТРИВАЕМОЙ ТЕМАТИКЕ. ОБОСНОВАНИЕ АКТУАЛЬНОСТИ

И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

Динамика транспортных сооружений давно выделилась в отдельную, специфичную отрасль инженерного знания. Первоначально исследования носили в основном частный и экспериментальный характер, сопровождаясь грубыми теоретическими рассуждениями. Однако по мере развития измерительной техники и возрастания потребностей гражданского и промышленного транспорта экспериментальные исследования становились более масштабными, а для их обобщения требовалась глубокая теоретическая проработка. Постепенно доля теоретических исследований стала преобладающей, чему послужило, в первую очередь, бурное развитие ЭВМ со второй половины прошлого века. В сложившейся ситуации натурные испытания стали преимущественно элементом проверки основных принятых в теории предпосылок и допущений, а также наиболее характерных и важных результатов аналитических исследований. Наряду с этим как отдельное направление стало развиваться исследование самих нагрузок и воздействий с целью изучить наиболее неблагоприятные их параметры, сочетания и оценить возможные последствия их воздействия на сооружения. Очевидно, что в большей степени это относится именно к динамическим нагрузкам.

На важность изучения динамических свойств как самих конструкций, так и нагрузок на них указано во многих работах. Здесь же хочется отметить лишь тот факт, что современное развитие транспорта и условий его эксплуатации требует появления новых и пересмотра многих традиционных подходов к изучению динамики транспортных сооружений.

Рассматриваемая в диссертации проблема является комплексной и касается как минимум трех областей инженерной науки:

- динамики механических транспортных средств;

- колебаний резервуаров, частично заполненных жидкостью;

- динамического расчета балочных систем на подвижную нагрузку.

Каждое из этих направлений имеет свою историю развития.

1.1 Основные этапы развития теории воздействия подвижной нагрузки

Динамика транспортного средства явл�