автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Обоснование конструктивных решений и расчетной прочности жестких аэродромных покрытий при их усилении

о

а я 9 и

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ИНСТИТУТ

Аль-Хури Сафуан Али

На правах рукописи

ОБОСНОВАНИЕ К0НСТРУКТИВШ1 ГНИЕНИЙ И РАСЧЕТНОЙ ПРОЧНОСТИ ЖЕСТКИХ АЭРОДРОМНЫХ ПОКШТИЙ ПРИ ИХ УСИЛЕНИИ

(05.23.11 - Строительство автомобильных дорог и аэродромов)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кавдвдата технических наук

Работа выполнзяа на кафедре ъ Аэропорту. й конструкции* московского ощока Трудового Красного Экашпк автомобильяо-до-рослого шстстута,

Яоушай ружозодажоль « догкор техшкескм';-: ваук,

профессор Г.К. Глуялсзв

0£«щаа&ьше ¿шококш - доктор технических юук,

(Гро^езсор К, Сяаьущ&З,

^ацидкат гездвчас&ах яа/д, езшшш на5_чн1Й соурудшяг Л, Наркоз

Блдуцев оргакузедк« - ХЪсуяарственннй ггоое1сгкэ~нзк^кату;ьс'ал:

Злшта состсггоя 26.П. 195.1 р. в . «г на заседан&ж сьзща:<^рова*гото совета ЕМ ССОР Д 053,30,01 тгк Мисково:»м аЕ-хсьазб^яо-дорозсяой; ижиящте ьо адресу; 125829: ГСП 47, Цэсзда, л-31'9, Яешшгрздсгнй просдокт, 64, зуд,

Сщ>авки до -хглзфон;/- -153 -03-32 ,

О дйссзртааш'й к-угко в бъйякотокь шт-ггсух»,

О-гз-аРЫ з дзо: ккосг^гйсйу , о«звзревы>з гербозоИ цзчл'^п, та:о-о?м нцкра^лдаь '2 ^ептае: г^^анхку оовсг ДЙС еу.7:^,-1..

А^оте^-ерз? ^асо с.у Юй

-у. о

с;.. ".г-

¡««тГРТМЕ^ _

' | ОБДАЙ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

'^"»Актуальность теш. Современные самолеты обладают большой сйртВфщной массой, в результате чего возрастают требования к конструкциям взлетно-посадочных полос на аэродромах. Наиболее полно этим требованиям отвечают жесткие покрытия, которые тлеют высокую несущую способность, не зависящую от времени года и состояния грунта.

В качестве более совершенных конструкций аэродромных покрытий могут рассматриваться слабоармированные покрытия, в плитах которых количество арматуры в растянутой зоне меньше минимально допустимого для железобетонных покрытий. В слабоармированных покрытиях сопротивление растягивающим усилиям при изгибе обусловлено участием обоих материалов - бетона и арматуры.

В народном хозяйстве Сирийской Арабской Республики актуальной является разработка автоматизированных методов проектирования конструкций аэродромных покрытий с примененном сродств вычислительной техники. Персональные вычислительные машины позволяют по-новому организовать процесс проектирования и выбора оптимальных покрытий при их реконструкции и усилении.

Целью работы является разработка методики расчета слабоармированных жестких покрытий аэродромов и конструкций их усиления с применением персональных электронно-вычислительных машин типа "СсгШПО^СЛв-9, а такке экспериментальное крупномасштабное исследование моделей слабоармированкых покрытий на воздействие статических и многократно повторявдихся нагрузок.

Научная новизна полученных в диссертации результатов заключается в следующем:

на основе экспериментальных исследований сформулированы критерии усталостной прочности слабо армированных покрытий;

разработана методика расчета слабо армированных укрытий на воздействие статических и многократно повторяющихся нагрузок;

разработана математическая модель оптимизации конструкций усиления жестких аэродромных покрытий;

разработана программа расчета конструкций слабоармированных покрытий на персональном номпьтере типа СмшосРаъг?. На защиту выносятся следулцие основные результаты: методика расчета конструкций слабоармированных покрытий; результаты лабораторных испытаний слабоармированных покрытий

Ш 1_и

под воздействием многократно повторяющихся нагрузок;

методика проектирования оптимальных конструкций усиления жестких покрытий, использующая математические методы и персональную ЭВМ;

результаты машинного эксперимента по проектированию различных вариантов усиления жестких покрытий.

Достоверность обоснована широким объемом математического моделирования на ЭЕМ применительно к условиям САР.

Практическое значение настоящего исследования состоит в анализе перспективы применения слабоармированных покрытий на аэродромах, получение формул критерия усталостной прочности слабоармированных покрытий. Кроме того, разработанная программа расчета открывает возможности для быстрого получения оптимального варианта усиления покрытия и проведения машинного эксперимента.

Внедрение результатов. Предполагается реализовать в практической деятельности Министерства транспорта САР при проектировании аэродромов.

Публикации. По результатам диссертационного исследования опубликована одна статья.

Структура и объем работы. Диссертация включает введение, 4 главы, общие выводы, библиографию из Iljfнаименований, £ приложений и состоит из //С страниц машинописного текста, в т.ч. // таблиц и Z- 2-рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОШ

Во введении даны общая характеристика работы и обоснование теш настоящей диссертационной работа, а также показана научная новизна и практическое значение выполненного исследования.

В первой главе проведен тщательный анализ основных тенденций развития гражданской авиации в СССРи за рубежом. После первой мировой войны, когда технические возможности одноколесных шасси самолетов того времени бит полностью исчерпаны, была осуществлена разработка многоколесного шасси. Если в те времена вес самолета достигал до 25 т, то в настоящее вреш эксплуатируются самолеты с посадочным весом от 160 до 320 т (ИД 86, ИД 76, В 747, С-5А и др.), до 400 т (АН 124). Некоторые проекты на сегодняшний день представляются чуть ли не фантастическими. Так, рассмотренный ' фирмой Локхид вариант грузового сашлета с размахом крыльев 338 м имеет взлетный вес 2200 т.

Важную проблему при разработке сверхтяжелых транспортных самолетов представляет конструкция шасси. Основной вопрос при проектировании сверхтяжелых летательных аппаратов состоит в том, по какому пути следует идти дальше при назначении схемы шасси: по пути дальнейшего увеличения числа основных опор для обеспечения необходимого распределения нагрузок на аэродромные покрытия или по пути увеличения допустимых нагрузок на основную опору. Увеличение допустимой нагрузки на основную опору ведет к снижению веса конструкции шасси самолета и увеличению полезной нагрузки. Для современных тяжелых самолетов вес шасси составляет порядка 2...2,Ъ% от взлетного веса самолета.

Исследование, проведенное фирмой Докхид и инженерным корпусом США. по оптимизации схем шасси перспективных сверхтяжелых самолетов показало, что более целесообразным является увеличение допустимой нагрузки на основную опору.

Возрастание массы самолетов требует осуществления ряда технических мер, обеспечивавших безопасность полетов, и в то же время долговечность основных сооружений аэродромов ВПП, РД, MC. А это требует увеличения прочности аэродромных покрытий.

В обзоре показаны наиболее характерные примеры мировой практики реконструкции некоторых аэродромов (Рено, Дельта Каунти) США..

Проведен анализ существующих способов расчета и методов конструирования слоев усиления в СССР и за рубежом, в котором использованы работы Якунина O.A., Манвелова Л.Н., Зайцева Ф.Я., Михайлова A.B., Бабкова В.Ф., Горецкого Л.И., в которых рассматриваются различные способы усиления аэродромных покрытий.

Бетон составляет основу всякого жесткого покрытия и его свойства в значительной мере определяют свойства и качество покрытия.

В жестких аэродромных покрытиях в сравнении с другими бетонными сооружениями особое значение должно придаваться срокам твердения бетона, качеству поверхности (поверхностного слоя) бетона.

Проведен анализ разных типов жестких аэродромных покрытий под воздействием нагрузок и температур. Трещины, образующиеся при изгибе в растянутой зоне железобетона, в условиях многократно повто-рявдихся нагрузок интенсивно развиваются на поверхности покрытия и способствуют дальнейшему разрушению железобетонных плит. При установленных процентах армирования железобетонных шшт покрытия имеют недоступные сквозные трещины. Поэтому для аэродромных покрытий выход трещин на поверхность покрытия следует ограничить,

I_! | з j

для чего необходима разработка метода расчета плит покрытий с ' учетом перераспределения усилий.

В соответствии с установленным методом расчета по предельному состоянию - прочности - появление трещин в результате воздействия нагрузки и температуры в армобетонных покрытиях недопустимо, так как при появлении трещин в покрытиях несущая способность их практически исчезает. Считается, что цри установлении длинных плит армобетонных покрытий обеспечивается гарантия против наступления в них в период эксплуатации предельного состояния по прочности, т.е. появления трещин в бетоне. Однако в раде случаев поперечные трещины в армированных по^ытиях все же наблюдаются. С целью выявления условий работы армобетонных покрытий выполнен анализ влияния температурных воздействий на механизм образования трещин. При понижении температуры бетонной штаты происходит уменьшение ее длины, сопровоя-дащееся смещением концов плиты к середине, а при повышении температуры - расширение от середины. В обоих случаях перемещение средней части плиты равно нулю. Приближенно сопротивление перемещении половины шшты равно весу плиты, умноженному на средний коэффициент сопротивления сдвигу шшты по основанию , и приложено на нижней поверхности: ,

т- 1-ЬЬ Г /

1 " 2 Т Ш

где Ь , Б , п - длина, ширина и толщина шшты; % - масса бетона;

4 - коэффициент трения бетона по основанию.

Это усиление воспринимается арматурой

Т = Ре. - £>ц.- гп (2)

где Ра - площадь арматура;

- расчетное напряжение в арматуре;

- коэффициент условий работы арматуры.

Приравнивая (I) и (2), можно определить различные напряжения

в арматуре цри различных длинах плит:

е ьв-Кг*

Ка 2 Ра ГО (3)

В табл,1 приведены результаты расчета по определению напряжений в арматуре по формуле (3) дая различных толщин и длин армобетонных шшт цри определенных расчетных данных.

Таблица I

-i-_

Напряжения в арматуре, кг/о.г

Длина плит, м

20

Толщина пяит, см

25

30

5 10 15 20 25 30

175 350 520 700 870 1050

220 440 660 880 1100 1320

260

520

780

1040'

1320

1700

Для определения механизма совместной работы бетона и арматуры вычислены относительные удлинения арматурной стали - £а. . При Ед = 2000000 кг/слг имеем б"а = £а £ , откуда Результаты расчета сведены в табл.2.

Таблица 2

Длина ! плит, м ! Относительное удлинение арматуры

I j Толщина плит, см

I j 20 ! 25 Î 30

5 10 15 20 25 30 0,0001 0,00022 0,0003 0,00035 0,00040 0,00050 0,00011 0,00022 0,00033 0,0004 0,0006 0,0007 0,00013 0,0003 0,0004 0,0005 0,0007 . 0,0009 '

Для сравнения и анализа определим относительное удлинение в бетоне - £в . Известно, что величина удлинения бетона к моменту разрушения от разрыва равна примерно 0Д5 ш/ы, что соответствует относительному удлинению £в = 0,00015. При таком удлинении напряжение в арматуре достигает примерно 300 кг/см2. Поэтому еще задолго до полного использования несущей способности арматуры в растянутой зоне бетона появляются трещины, достигающие 0,2...0,3 мм. Таким образом, трещины в армобетонном покрытии не будет лишь в"том случае, если относительное удлинение бетона не превышает относительных удлинений арматуры, т.е. должно соблюдаться условие

ш »-5!

г •

въ 4 6.а (4)

Анализ данных табл.2 свидетельствует о том, что условие (4) соблюдается лишь для шгит толщиной 5...7 мм. Для шшт большего размера это условие не соблвдается, что свидетельствует о недостаточной трещиностойкости армобетонных покрытий и необходимости разработки более совершенных конструкций.

В конце первой главы рассматриваются слабоармированные покрытия в качестве более совершенных конструкций аэродромных покрытий. Слабоармированным называют покрытия, в плитах которых количество арматуры в растянутой зоне меньше минимально допустимого для железобетонных покрытий. В слабо армированных покрытиях сопротивление растягивающим усилиям при изгибе обусловлено участием обоих материалов - бетона и арматуры.

Арматура предназначена для повышения несущей способности бетонных элементов при некотором уменьшении толщины конструкций.

Плиты покрытий армируют сварными сетками, расположенными сверху и снизу от стержней диаметром 8...10 мм с ячейками 20x20 см. Конструкцию стыковых соединений в слабо армированных покрытиях выполняют такой же, как и для бетонных соединений. Расход арматуры в таких покрытиях составляет 4...6 кг/м^.

Во второй главе изложены результаты исследований слабоарми-рованных и бетонных балок на воздействие статических и многократно повторяющихся нагрузок. В программу исследований входят следующие этапы:

1.Анализ ранее выполненных исследований работы бетонных балок на выносливость (Садовой В.Д., Минаев В.В., ассоциация портландцемента США, исследовательские лаборатории транспорта и дорог в Англии).

2. Проведение испытаний бетонных и слабо армированных образцов балок на воздействие статических нагрузок.

3. Проведение исследований образцов бетонных и слабоармированных балок на воздействие многократно повторяющихся нагрузок.

4. Обобщение результатов испытаний и разработка рекомендаций по работе слабоармированных балок на выносливость.

Испытания проводились в грунтовом лотке стенда ПГС-100-2 кафедры "Аэропорты и конструкции" МАДИ, позволяющем создавать статическую нагрузку до 100 кН. Для измерения величин перемещения использовались индикаторы перемещения с точностью измерения 0,01 и 0,001мм.

I 6! I !

I I

Эти индикаторы установлены таким образом, чтобы по величине замеренных перемещений можно было судить о характере работ балок для определения возникающих усилий.

В результате испытаний было определено уравнение кривой выносливости бетона и слабоармированного бетона при изгибе. Испытание слабоармированных балок подтвердило достоверность уравнения кривой выносливости при изгибе, полученного по формуле

Цы^ вТ -5-20-^с*. (5)

число циклов нагружений, которое выдерживает образец-балка из бетона выносливости при изгибе; уровень относительной напряженности сечения образца: Г =

г- й

напряжение цикла;

средний предел статической прочности бетона на растяжение при изгибе;

нормативная прочность бетона на растяжение при изгибе.

ск — 1,1...1,15.

Полученные в процессе испытания кривые усталости слабо армированных элементов свидетельствуют о том, что относительный предел усталости при изгибе выше по сравнению с бетонами на 10...15%.

На основании выполненных испытаний можно сделать вывод, что применение слабоармированных покрытий существенно повышает долговечность и устойчивость их работы гфи воздействии многократно повторяющихся подвижных нагрузок. Такие покрытия не допускают образования и раскрытия трещин,> вызванных подвижными нагрузками и колебаниями температуры, вследствие чего обеспечиваются высокие эксплуатационные качества покрытий.

В третьей главе рассматривается математическая модель оптимизации конструкции усиления жестких аэродромных покрытий. Работа слоев усиления покрытий рассматривается с системных позиций й поэтому задача выбора оптимальной конструкции усиления для составления расчетной и информационной схем модели требует выявления связей данной системы. Несущая способность жестких аэродромных покрытий является сложной функцией многих физических величин. Прочностные характеристики покрытий и коэффициент постели в значительной степени зависят от жзменящихся параметров окружающей среды.

Среди параметров и переменных, характеризующих работу покрытия

где N -

т -

где 6м -

б _ ^ -

I I

под нагрузкой, разливают две группы: I - параметры условно постоянные (характеризуыцие условия загружения); П - переменные, входящие во П группу, представляют собой основу для многовариантного нахождения конструктивных решений усиления шнфытий. Комплексная оценка вариантов усиления производится по заранее заданным критериям, что позволяет выбрать оптимальный вариант. Расчетная схема выбора оптимального варианта усиления задается параметрами:

где Ье* - толщина усиливаемого покрытия;

1цц>..Лпло»- варьируемая в ходе расчета толщина слоев усиления;

Ее* - модуль усиливаемого покрытия;

- модуль упругости цементобетонного и армобетонного слоя усиления;

Ее* - модуль упругости слабо армированного слоя усиления; йьчг^ - расчетная прочность усиливаемого покрытия на растяжение при изгибе; ^мио^Йлируг расчетная прочность цементобетонного и армобетонного слоя усиления на растяжение при изгибе;

К с* - расчетная прочность слабоармированного слоя усиления на растяжение при изгибе;

КЪ - коэффициент постели усиливаемого объекта; 9с- 9п ~ стоимостные характеристики материалов и конструкции;

КЙ - категория разрушения усиливаемого покрытия.

В качестве главного критерия при сравнении вариантов цри выборе оптимального решения были выбраны приведенные затраты на устройство слоя усиления. Приведенные затраты на содержание и текущий ремонт считались постоянными, несмотря на то, что автор настоящей работы определяет тенденцию развития этих затратив зависимости от продолжительности эксплуатации покрытия и вида материала.

В работе рассматриваются управляемые и неуправляемые переменные и технологические параметры, влияпцие на область определения целевой функции и процесс оптимизации слоев усиления. Область определения целевой функции для покрытия имеет следующий вид:

агдггипРСй

- значения управляемых переменных - компонентов вектора X ,

цри которых целевая функция минимизируется

Ш I !

с =

Х4И (8)

либо ее значение близко к с учетом дополнительных крите-

риев оптимальности, задаваемых проектировщиком в процессе проектирования,

где X =аск^Рг.ММ2>Р3МВ,.131К5) (9)

вектор управляемых переменных задачи оптимизации;

Р(к) - целевая функция; ^

йгдггипР(у) - значение вектора ЗГ , при котором Р(х) мини--шя мальна;

Спр - минимальные суммарные приведенные затраты; толщина слоя усиления; вид покрытия слоя усиления; •Ай^мЬз- таРка бетона слоя усиления.

В четвертой главе представлен расчет слабоармировашпдх аэродромных покрытий. •

Слабоармированные покрытия целесообразно рассчитывать как обычные бетонные, но с повышенным коэффициентом условий работ. Это допустимо, так как выносливость слабоармированных покрытий при воздействии многократно повторяющихся нагрузок ввдга, чем бетона. Возможность повышения коэффициента условий в слабоармированных покрытиях допускается за счет улучшения условий работы покрытий на повторное приложение нагрузок с учетом введения арматуры в чисто бетонные сечения. Общие расчетные коэффициенты прочности бетона (против образования трещин) К* и железобетона (против разрушения вследствие преодоления предела текучести арматуры) К(> можно выразить по методу предельных состояний так:

К* - ^ и* — ^

■^т ~ . К . > ^с

ше Кб ' т*а К»

(10)

где и [Пив - коэффициенты условий работы бетонных и железобетонных покрытий;

К» - коэффициент однородности бетона равный 0,7; Кл - коэффициент однородности арлатуры равный 0,9. В соответствии с установленными коэффициентами (10) общие расчетные коэффициенты для бетонных и железобетонных покрытий имеют значения, приведенные в табл.3.

ш

Таблица -3

Участки покрытий ! Расчетные коэффициенты аэродрома '-

для. бетона ! для железобетона

Группа А 1,80 1,10

Группа Б 1,60 1,00

Группа В 1,60 1,00

Группа Г 1,30 0,90

Общий расчетный коэффициент прочности для слабоармированных покрытий К к занимает промежуточное значение между расчетными коэффициентами прочности бетонных и железобетонных сечений в зависимости от толщины покрытия и процента армирования и находится в следующих пределах:

> К* > К.р

С учетом выполненного анализа порядок расчета слабоармированных покрытий принимают следующим:

1. По заданной расчетной нагрузке и расчетным параметрам определяют расчетный изгибающий момент - 1А? .

2. Определяют расчетный коэффициент прочности слабоармирован-ного сечения К к в зависимости от назначения участка покрытия и пришитого процента армирования по формуле

где \М - расчетный процент армирования;

«М< - самый низкий процент армирования, меньше которого сечение

должно рассматриваться как бетонное («УМ, = 0,1); ъМг. - максимальный процент армирования слабо армированного покрытия, при превышении которого сечение можно рассматривать как железобетонное (^г = 0,25).

3. Толщину плиты слабоармированного покрытия определяют по формуле

(С,- ь- к*

** (13)

где - нормативное соцротивление растяжению при изгибе;

Ь, Ь - расчетная ширина (обычно 100 см) и высота поперечного

сечения плиты покрытия; К у* - коэффициент, учитывающий интенсивность приложения колес-

Ш I !

ных нагрузок воздушных судов;

- расчетный коэффициент прочности для слабоармиро-

ванных покрытий; - коэффициент условий работы для слабоармированного покрытия, определяемый по табл.4.

Таблица 4

Участок } покрытия

Коэффициент условий работы

Группа А Группа Б Группа В Группа Г

0,9 1,0 1,0 1,2

Проведены машинные эксперименты на ЭВМ. В работе была использована персональная вычислительная машина Программа изложена в приложении I к диссертации.

На основе выполненных исследований по обоснованию конструктивных решений и расчетной прочности жестких аэродромных покрытий при их усилении можно сделать следующие выводы:

1. Гражданская авиация в последние годы развивается очень быстро. Одной из основных тенденций ее развития является повышение веса самолетов и увеличение нагрузки на главную опору. В связи с этим также повышаются требования к жестким аэродромным покрытиям с целью обеспечения безопасности движения воздушных судов. Важнейшим требованием к жестким аэродромным покрытиям с целью обеспечения безопасности движения воздушных судов является их прочность. Одним из способов повышения прочности аэродромных покрытий является применение слабо армированных покрытий, что существенно повышает их долговечность и устойчивость в работе при воздействии многократно повторяющихся нагрузок. Такие покрытия не допускают образования и раскрытия трещин, вызванных подвижными нагрузками и колебаниями температуры, вследствие чего обеспечиваются высокие эксплуатационные качества покрытий.

2. Результаты экспериментальных исследований показывают, что

0ВЦИЕ ВЫВОДЫ И ЗАДАЧИ ДАЛЬНЕЙШИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Г -

кривые усталости слабоармированных элементов при изгибе выше по сравнению с бетонами на 10... 15%. Это свидетельствует о том, что применение слабоармированных по^ыгий на аэродромах целесообразно с экономической и конструктивной точек зрения, так как снижает расход арматурной стали, толщину покрытий и упрощает производство работ.

3. Коэффициент условий работы слабоармированных покрытий выше, чем бетонных, что объясняется улучшением условий работы покрытий на повторное приложение нагрузок с учетом введения арматуры в чисто бетонные сечения.

4. Созданная программа на персональном компьютере включает всю необходимую информацию для расчета и выбора варианта усиления покрытия. Помимо быстрого получения практического результата,можно проводить машинный эксперимент то выявлению различных Численных характеристик и зависимостей между переменными задачами оптимизации.

5. Предлагаемый метод не исчерпывает всех возможных конструкций усиления аэродромных покрытий. Одним из направлений дальнейших исследований является исследование предварительно напряженных аэродромных покрытий.

Основные положения диссертационной работы опубликованы:

Глушков Г.й., Аяь-Хури Сафуан. Слабоармированные аэродромные покрытия // Конструктивные и планировочные решения аэродромов: Сб.науч.тр./ МАДИ. - М., 1989. - С.4-15.