автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.01, диссертация на тему:Повышение надежности сборных покрытий автомобильных дорог предприятий лесного комплекса

На правах рукописи

ОД

1 Д-£Л 1993

АФОШ1ЧЕВ Дмитрий Николаевич

ПОВЫШЕНИЕ НАДЁЖНОСТИ СБОРНЫХ ПОКРЫТИИ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ Г1РЕДПРИЛТИЙ ЛЕСНОГО КОМПЛЕКСА

Специальность 05.21.01 — Технология и машины лесного хозяйства и лесозаготовок.

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Воронеж — 1998

Работа выполнена на кафедре транспорта леса и инженерной гсодезш Воронежской государственной лесотехнической академии (ВГЛТА).

Научный руководитель: действительный член Российской академии

естественных наук и жшшщно-коммунадьно; академии РФ, доктор технических наук, про фессор Курьянов В.К.

Научный консультант: кандидат технических наук,

доцент Чубов Н.И.

Официальные оппоненты: член-корреспондент Российской экологиче

ской академии, доктор технических нау1 профессор Подольский В.П.

действительный член Российской академи естественных наук и жилшцно-коммуналыю академии РФ, Заслуженный деятель наук РФ, доктор технических наук, профессо Харчевников В.И.

Ведущая организация: Воронежское управление лесами

Защита диссертации состоится 24 декабря 1998 г. в 10 часов на заседани диссертационного совета Д 064.06.01 в Воронежской государственной лесоте) нической академии (394613, г. Воронеж, ул. Тимирязева, 8, зал заседания -аудитория 118).

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ВГЛТА.

Автореферат разослан 16 ноября 1998 г.

Учёный секретарь диссертационного совета, д.т.н., профессор Л

Курьянов В.К

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одним нз ведущих факторов интенсификации транспортных процессов в лесном комплексе должна стать индустриализация дорожного строительства, позволяющая в течение короткого времени создавать высококачественные дорожные конструкции, в том числе покрытия (дорожные одежды) из сборных элементов (плит).

Опыт эксплуатации сборных покрытии автомобильных дорог на лесозаготовительных предприятиях гюказ.чл их низкую надежность, которая в первую очередь выражена значительным сокращением фактического срока службы по сравнению с нормативным в 2 - 3 раза. Низкая надёжность сборных дорожных покрытий в эксплуатации является свидетельством несоответствия норм проектирования фактическим условиям работы покрытий и их взаимодействия с подвижным составом.

Принимаемые при проектировании параметры покрытий автомобильных дорог оказывают в процессе их эксплуатации существенное влияние на условия движения автопоездов и формируют надёжность транспортной системы. Указанное выдвигает проблему повышения надёжности сборных покрытий автодорог лесных предприятий е$ число важнейших научных задач и свидетельствует о её актуальности.

Тема диссертации посвящена проблеме повышения надёжности сборных автодорожных покрытий.

Цель работы. Целью работы является повышение надёжности сборных покрытий автомобильных дорог лесных предприятий на стадии проектирования путём совершенствования методов определения усилий в их элементах, расчёта геометрических параметров и создания математического, информационного и программного обеспечения для автоматизированного проектирования сборных покрытии.

Объекты и методы исследований. Объектами исследований являлись: транспортно-переместнтельные процессы лесных предприятии:, сборные покрытия автомобильных дорог, процессы взаимодействия элементов покрытий с автопоездами.

При решении поставленных задач применялась следующие основные методы: формализация к имитационное моделирование на ЭВМ процессов взаимодействия элементов сборных покрытий с лодвихным составом.

Новизна исследовании и научные результаты заключается в разработке принципиально новых методов: расчёта параметров проезжей части автомобильной дороги с колейным покрытием с учётом сисгаьа транспортного потока; определения усилий в элементах сборного дорожного покрытия с учётом характера расположения и изменения нагрузок на плитах; определения монтажных усилий в плитах; исследования влияния размеров дорожной плиты на условия и безопасность движения автопоездов.

Значимость для теории и практики заключается в том, что предлагаемые методики дают возможность на стадии проектирования заложить требуе-

мый уровень надёжности для конкретных условий эксплуатации. Алгоритмы и программы, реализующие модели процессов взаимодействия автопоездов с параметрами проезжей части, нагружения элементов покрытия подвижной нагрузкой, расчёта параметров покрытий и проверки плит по предельным состояниям, монтажного нагружения плит обеспечивают оптимизацию параметров сборных дорожных покрытой в САПР автомобильных дорог. Научные положения выносимые на защиту:

1) Теоретические основы построения моделей повышения надёжности сборных покрытий автомобильных дорог на стадии проектирования;

2) Методика расчёта параметров проезжей части автодороги с колейным покрытием;

3) Методика расчёта усилий в элементах сборных дорожных покрытия, вызываемых нагрузкой от многоосевых автопоездов;

4) Теоретические основы расчёта монтажных усилий в дорожных плитах;

5) Математические модели процессов взаимодействия автопоездов с параметрами проезжей части, нагружения: элементов покрытия подвижной нагрузкой, расчёта технико-экономических показателей и проверки по предельным состояниям, монтажного нагружения плит;

6) Алгоритмы, реализующие математические оптимизационные модели обоснования параметров сборных автодорожных покрытий;

7) Результаты определения усилий в элементах покрытия и оптимизации параметров плит и покрытий по оценочному критерию надёжности;

8) Оценка эффективности применения полученных результатов оптимизации параметров плит и покрытий.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на Всероссийском молодёжном научном симпозиуме «Молодёжь и проблемы информационного и экологического мониторинга» (25 - 28 марта 1996 г., г. Воронеж); Всероссийской конференции «Комплексная продуктивность лесов и организация многоцелевого (многопродуктового) лесопользования» (13 — 14 декабря 1995 г., г. Воронеж); Всероссийской научно-технической конференции «Рациональное использование ресурсного потенциала в агропромышленном комплексе» (3 - 4 июня 1998 г., г. Воронеж); международной научно-практической конференции «Научно-технические проблемы в развитии ресурсосберегающих технологий и оборудования лесного комплекса» (24 - 26 сентября 1998 г., г. Воронеж); ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского состава в ВГЛТА с 1995 по 1998 г.

Реализация работы. Рекомендации, составленные на основе предлагаемых методов расчёта параметров покрытий и результатов имитационного моделирования, выполненного в диссертационной работе, использовались Центром дорожно-мостового проектирования «ЛТЛ» (г. Воронеж) при разработке проектов ведомственных дорог в Калужской области.

Разработанные модели, алгоритмы и программы внедрены в учебный процесс ВГЛТА при выполнении курсовых и дипломных проектов и работ по специальности 260100 — «Лесоинженерное дело»/

ПуЕмшсагт:;!. Материалы диссертации опубликованы в 31 работе, включая 2 монографии.

Структура m объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, основных выводов и рекомендаций, списка использованных источников и 18 приложений. Основное содержание работы изложено на 260 страницах машинописного текста, штлюетрирозано 67 рисунками и 3:5 таблицами.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность теми диссертационной работы, сформулированы сё цель, научная новизна и основные положения, выносимые на защиту.

1. Состояние проблемы. Цель и задачи исследований. В разделе отображены: существующие методы оценки надёжности автомобильных дорог и их покрытий, состояние развития конструкции, технологии и методов расчёта сборных дорожных покрытий. Показано, что надёжность автомобильной дороги является не только важным её техническим и эксплуатационным показателем, но и экономическим, что особенно важно для дорог предприятий лесного комплекса. Существует много определений и критериев количественной оценки надёжности автомобильной дороги. Наиболее исчерпывающее определение надёжности автодорога дано профессором И.А. Золотарём, а основным её количественным показателем принято считать суммарные приведённые денежные затраты на строительство и эксплуатацию. Проблемам оценки надёжности автомобильных дорог и их одежд лоезящены работы И.А. Золотаря, В.В. Силъя-нова, А.К. Бируля, Ю.М. Слободчикова, В.М. Сиденко, C. B. Коновалова и других, которые внесли огрошшй вклад в развитие транспортной науки. Вопросы надёжности транспортных процессов и систем лесного комплекса исследовали: В.И. Алябьев, Ю.Я. Дмитриев, Б.А. Ильин, Б И. Кувалд ин, И.И. Леонович, Э.О. Салминен, В.1С. Курьяиов, а их. труды способствовали развитию лесного комплекса России.

Современное состояние конструкции, технологии us эксплуатации сборных дорожных покрытий показывает необходимость решения ряда научных и практических задач в данной области. Труды: В.М Могилевича, И.И. Леонови-ча, Н.П. Вырко, В. И. Харчевни това, В.К. КурьлноЕа, а также Л.В. Петровского, М.Н. Леонтьева, El.В. Савельева, Н.И. Чубова и других способствовали разработке новых конструкций дорожимг. плит, стыковых соединений и технологий строительства покрытий.

Основой методов расчёта дорожных одежд, созданных под руководством В.Ф. Бабкова и H.H. Иванова, является теория конструкций на упругом основании, получившая развитие в трудах М.И. Гообунова-Посадова, Н.М. Герсевано-ва, Б.Н. Жемочкина, И.А. Симвулиди. Методики расчёта дорожных плит и их оснований совершенствовали: Э.О. Салминен, C.B. Коновалов, A.A. Яблочкин, Л.В. Петровский и другие, которые заложили научную базу норм проектирования сборных покрытий автомобильных дорог.

Важнейшей задачей проектирования сборных дорожных покрытий является установление их рациональных параметров, которые определяют эксплуатационные и экономические показатели конструкции. Труды А.К. Бируля, М.С. Замахаева, Н.Ф. Хорошилоиа, Д.М. Кузнецова внесли существенный вклад в совершенствование методов проектирования автомобильных дорог.

В соответствии с целью работы и состоянием проблемы поставлены задачи исследований:

1) Обзор и анализ надёжности автомобильных дорог и методов оценки надёжности и качества дорожных покрытий;

2) Анализ существующих методов расчёта и назначения геометрических параметров сборных дорожных покрытий в системе ВАДС;

3) Разработка теоретических основ повышения надёжности сборных покрытий автомобильных дорог на стадии проектирования по технико-экономическим показателям;

4) Обоснование методов расчёта параметров проезжей части, элементов сборных покрытий и разработка на основе их модели взаимодействия элементов покрытия с движителями автопоездов;

5) Разработка моделей процессов взаимодействия автопоездов с параметрами покрытий и нагружения их; :

6) Разработка алгоритмов и программ, реализующих имитационные модели процессов взаимодействия автопоездов с параметрами проезжей части, нагружения элементов покрытия подвижной нагрузкой, расчёта параметров покрытий и проверки плит по предельным состояниям, монтажного нагружения плит;

7) Исследование и оптимизация конструктивных параметров сборных дорожных покрытий на ЭВМ и оценка их эффективности;

Решение этих задач производилось в соответствии с планами научно-исследовательских работ Центрально-чернозёмного отделения наук о лесе Российской академии естественных наук и кафедры: транспорта леса и инженерной геодезии ВГЛТА по направлению «Разработка ресурсосберегающих и экологически перспективных технологий эксплуатации лесовозного автомобильного транспорта».

2. Теоретические основы повышении надежности сборных покрытий автомобильных дорог. Анализ взаимодействия элементов системы: «водитель — автомобиль — дорога — окружающая среда» (ВАДС) показывает, что надёжность транспортного процесса обеспечивается оптимальными значениями выходных параметров системы, которые можно разделить на четыре группы: экологические, эргономические, эксплуатационные и экономические. Последний фактор наиболее чувствительный и может изменяться а широких пределах, в том числе с изменением первых трех. Экологические и эргономические показатели не должны выходить за определённые допустимые пределы, а эксплуатационные необходимо поддерживать на требуемом уровне. Таким образом, основным критерием оценки надёжности транспортного процесса следует счи-

тать экономический, который ограничивается требованиями обеспечения безопасности при оптимальном функционировании элементов системы.

Основными факторами, формирующими надёжность транспортного процесса, являются конструкция и параметры дороги, в том числе дорожной одежды, которые задаются при проецировании. Данные параметры обосновываются по оценочному критерию надёжности: суммарным приведённым денежным затратам на строительство и эксплуатацию покрытия Zf¡:

1п = Дя, Я, и 1*0,с, А, СГлгр, Ху, Г^Ц, ш, 1 = ПЯ j = i^l,(2Л) где А— количество ДТП; Nр — псоличество автомобилей пропущенных по покрытию за установленный срок эксплуатации; С — средние денежные потери от одного ДТП; — стоимость единицы объёма /-го вида материала на

1-й этапе строительства и эксплуатации соответственно; — стоимость

выполнения единицы объёма ]'-го вида работ на /'-м этапе строительства и эксплуатации соответственно; п,т — соответственно количество этапов строительных кпи эксплуатаци о иных работ и видов работ на конкретном этапе.

Модель (2.1) имеет ряд ограничении: обеспечение оптимальных режимов и безопасности движения, минимум экологических последствий, соответствие параметров покрытия условиям эксплуатации. Разработка модели состоит из этапов: исследование влияния параметров сборного дорожного покрытия на условия и безопасность движения автопоездов; установление рациональных параметров проезжей части и назначен»; ширины плиты; установление усилий в элементах покрытий, возникающих при движении транспортных средств и проведении монтажных и погрузочно-разгрузочных рабст.

Деформации основания я просадки торцов шит сборных покрытий вызывают появление пороговых уступов в поперечных швах, которые формируют в совокупности макронеровность покрытая. Па основе анализа исследований Ю.Н. Высоцкого и Ю.В. Петешова установлено, что неровность по показаниям толчкомера на дорси ах со сборными покрытиями оценивается в 50% суммарной величины пороговых уступов на 1 км. Данный факт и зависимости скорости и числа ДТП от неровное™, предложенные Ю.М. Слободчиковым, позволили установить взаимосвязь сксрсстн движения V и числа ДТП А с геометрическими параметрами сборного покрытия, а именно средней высотой порогового уступа / (мм) и длиной шип ы I (м):

У = У0-50ЛГ~; А =1,13^, (2.2)

где у0 — скорость движения при условии отсутствия неровностей, м/с; АГ— коэффициент падения скорости из-за неровности покрытия.

Расчет параметров колейного покрытия жестко связей с установлением ширины полосы движения. При этом стоит первоочередная задача выбора исходной модели, то есть метода -М.С. Замахаева или Н.Ф. Хорошилова. Сравни-

тельный анализ указанных методов показал преимущество первого, особенно для крупногабаритных автопоездов.

Разработаны расчётные схемы для определения параметров проезжей части дорог с разным числом полос движения, имеющих колейные покрытия (рис. 2.1), позволяющие установить их через предельные координаты отклонения колёс Г0, Ух, Y¿, У{ являющиеся максимальными и минимальными значениями из рядов величин У0(, Уи, У0', , Ууопределяемых для конкретного автопоезда /-ой марки по формулам::

Г« ~ Ч л ~ -

5.

2

— 0,5 - 0,01; Уу = УА —+ 0,5 + 0,018V,; (2.3)

5 5

Гп', = Ул + -Л - 0,5 - 0,01 8У, ; У,' - Ул + + 0,5 + 0,01 8У, ,

(2.4)

та\ > / гаш

где УА — координата положения оси движущегося автомобиля, м; — соответственно ширина максимальной и минимальной колеи автопоезда /--ой марки, м; v, — скорость автопоезда /-ой марки, м/с.

г

с

с/ /2 %

ь0

т 1 В 1 ,2 г. 1 В ш

У2 п Го *о г, г3

О V

Г о

а)

Рис. 2.1. Расчётные схемы для определения параметров проезжей части однополосной (а) и двухполосной (б) дорог с колейными покрытиями.

Сборное покрытие автомобильной дороги ¡пишется конструкцией на упругом основании и при определении усилий в ею элементах целесообразно рассматривать раздельно сечения в продольном и поперечном направлениях. В продольном направлении имеет место пространственная задача теории упругости, и поэтому приемлем метод Б.Н. Жемочкина, а в поперечном — плоская деформация, что позволяет воспользоваться решениями М.И. Горбуиова-Посадова.

Метод Б.Н. Жемочкина позволяет установить значения реакций основания Х[, приложенных в серединах элементарных участков, на которые разби-

вается плита, путем решения статически неопределимой системы смешенным способом, канонические уравнения которого для дэрожной плиты могут быть представлены в виде матрицы:

¿п <?12 . .. ¿>ш с\ 1 1

■ 8г с2 1 л2р

ь 1 \

5иг • ... - ■■ 51Х, Си 1 4',

с\ с2 .. cJ . •• сь. 0 0 ,2 п

У- •

' п

1 1 .. 1 . .. 1 0 0

Г=1

(2.5)

где с, — координата реакции X,, VI; Р0 — вес плиты, Н/м; п — количество внешних сил приложенных к плите; Рг и ху — соответственно величина (Н) и координата (м) у-ой внешней нагрузки; коэффициенты, определяемые логарифмическими функциями осадки основания, м/Н; Д<р— свободные члены, зависящие от величины л характера внешней нл груши, м.

Автором получена зависимость для определения А,р при произвольном нагружении дорожной плиты колёсами автопоезда: I л

г = /+!

(е-1 \ а2 ,г0

У а — О — + ---

£«.1 1 2 3

V > _

X

У-1

ч

Г 1а?

Г к г.-Та,

•'1-е, 2 ^

—а ЧГ4

I

е=к +1

Р J 0

з" Г 4

— +

3 8 V

+ Гп X

/-1

а 4

«=д+1

е-1

ак +

4 3'

у-1

/=/!• И /

V 1=4 + 1

Г к

/=:1

(2.6)

1=1

2

а, +

о\

//

где Е — модуль упругости материала плиты, Па; J — момент инерции поперечного сечения шшты, м4; у — номер внешней алы Р} после которой приложена реакция основания Л', ; а и сг,— соответственно разности координат единичной и у-ой внешней сил, (Н1)-ой и г-ой внешних нагрузок, м.

\

N

Чтобы определить изгибающий момент в продольном направлении надо знать характер расположения нагрузки на плите и закон распределения реакции основания по её длине. Внешняя нагрузка на дорожной плите представлена усилиями от колёс автопоезда, расположенных на ней, и реакциями от шарнирных соединений, которые определяются по методу И. А. Симвулиди, что требует знания координат нагрузок на каждой из трех сочленённых плитах относительно левых концов. Для решения поставленной задачи требуется задать координату ха положения колеса оси с номером а и нагрузкой Ра, тогда координата нагрузки (колеса) с номером Д расположенного левее от Ра и правее её соответственно будет:

«-1 Р-\

хр=- XV; -V=+ XV' (-2-7)

¡=р 1=а

где 1пр1 — проекция межосевого расстояния на ось плиты, м.

При монтажных и погрузочно-разгрузочных работах в плитах возникают изгибающие моменты называемые монтажными, величина которых зависит от их массы и характера расположения монтажных узлов (петель). В фиксированный момент времени условие равновесия плиты может быть выражено в виде трёх линейных уравнений, решение которых позволяет получить зависимости изгибающих моментов в сечениях плиты от координат приложения внешних монтажных усилий или координат расположения монтажных узлов (д'л, дг2, у2, X}, у3). Указанное даёт возможность подобрать расположение монтажных узлов на плите, позволяющее минимизировать значения изгибающих моментов, возникающих при погрузочно-разгрузочных работах.

Изгибающий монтажный момент в плите зависит не только от координат внешних сил (монтажных узлов), но и координаты опасного сечения плиты, которая для критического (максимального) момента определяется по формулам: а) при 0<х<х2 — :

^ _ 0,55*2 ~ хгУз + хзУ2 ~ 0.5/^4 + 0,5- 0,51у2 ^ Х1 Уз - х0'2 + х2>\ - Л'2>'з + хзУ'2 - х3У\ 1'

(2.8)

б) при 0 < х < х3 - х2:

х = +Л'2.У1 -*1У2 - 0,5йг2 -0.5/.У, +0,5Ьу2 _х (2д)

Х2У1 + ХзУ2 + х\Уз - х2Уз - -*3>] - х\):2 4 '

где хА — разность между длиной плиты и абсциссой расположения третьей монтажной петли, м.

На основе исследований разработаны рекомендации по уточнению методов проектирования сборных покрытий автомобильных дорог и разработке систем автоматизированного проектирования на их основе. Учёт характерных условий взаимодействия транспортных средств с покрытием и ряда факторов,

возникающих при этом, позволит на стадии проектирования повысить надёжность последнего.

3. Пмптя11ио|тпе моделирование на ЭВМ процессов взаимодействия

автопоездов с члементамн сборных дпрпжныи покрытий. Поставлены задачи отдельных этапов имитационного моделирования: оптимизация ширины полосы движения при заданном составе транспортного потока и расчёт параметров проезжей части колейного покрытия; установление требуемой толщины основания, величин изгибающих моментов в плитах и предварительное обоснование геометрических параметров покрытия; оптимизация конструктивных параметров сборного покрытия по оценочному критерию надёжности; оптимизация местоположения монтажных узлов и обоснование её конкретного критерия.

Математическая модель процесса взаимодействия автопоездов с параметрами проезжей части:

где ¥'(у)— коэффициент поперечного ограничения скоростей, м/(м/с); М{у) — математическое ожидание скорости движения, м/с; Ск— ширина полосы движения, моделируемая в вице числового ряда:

С -С

^•'ттх тг 1:

См = с,™+. =1;/Г1 (3.2)

где АГ,— количество интервалов приращения в раду Ск; К — количество видов транспортных средств в потоке; Спш, Сга^— соответственно максимальное и минимальное значение из вгличин ширин:,! полосы движения, рассчитанных для каждого вида автопоезда по методу М.С. Замахаева, м .

Математическая модель процесса нагрукешя элементов сборного покрытия при движении автопоездов:

М (.г) = (/(а, ха ) > 0) -> шах М (х) = (/(а, ) < О) тт

Ь

(3.3)

где а и ха — номер и координата (м) расчётной оси автопоезда; и0— количество осей автопоезда; М (.с) — изгибающий момент в плите, Нм, определяемый по формуле:

К. тп . »

«(■••)-Х(А';-Р0-с)-(х-с,)-ТМХ~ХЛ (3-4)

/=] I

где К—: количество реакций основания приложенных к плите до сечения с координатой х;с — длина зоны распределения , м.

Экономико-математическая модель повышения надёжности сборного покрытия автодороги включает целевую функцию, определяемую уравнением:

гп=г + г'+г"-*тт, (3.5)

г = 2" = а-м-с, (з.б)

<=1 ¡=1

где 21— стоимость опалубочных работ, руб./м; 22 — стоимость арматурных работ, включая стоимость арматуры, руб./м; 23 — стоимость бетонных работ, включая стоимость бетонной смеси, руб./м; 24 — стоимость работ по термо-влажностной обработке, руб./м; 25 — стоимость отделочных и гидроизоляционных работ, руб./м; 26 — стоимость перемесгительных и складских работ, руб./м; 27 — стоимость перевозки плит к месту укладки с сопутствующими погрузочно-разгрузочными работами, руб./м; 2% — стоимость укладки плит в покрытие, руб./м; 29 — стоимость устройства стыков и заделки швов, руб./м; 210 — стоимость устройства основания, руб./м; 7.х, — стоимость мероприятий по стабилизации основания, руб./м; 2П — стоимость устройства меясколейных и межпутных пространств или продольных швов, руб./м; 2[ — стоимость содержания ездовой поверхности плит, руб./м; 2'г — стоимость содержания межколейных и межпутных пространств или продольных швов, руб./м; 2\ — стоимость содержания поперечных швов, руб./м; 2\ — затраты на восстановление стыковых соединений и выравнивание торцов плит, руб./м; 2\ — затраты на восстановление поперечных швов, руб./м; 2\ — стоимость замены плит и восстановление основания под ними, руб./м; N — количество автомобилей, пропускаемых по покрытию за срок эксплуатации, млн. авт.; С — средние потери от одного ДТП, руб.

Технико-экономические показатели покрытия определяются для плит с параметрами, проверенными по предельным состояниям.

Математическая модель процесса нагружения дорожной плиты при монтажных и погрузочно-разгрузочных работах:

= АХ1,У1,Х2,У2>хЗ>УЗ)^™П ]

(3.7)

М =Мшах + !™п

где Мпшх, А'/тш, М — максимальный, минимальный и суммарный моменты в плите, возникающие от монтажных нагрузок, Н-м.

Для реализации моделей на ЭВМ разработаны соответствующие алгоритмы и программы дня ШМ РС/АТ, приведены примеры формирования баз исходных данных.

4. Результаты оптимщапии параметров сборных покрытий автомобильных дорог. Установлены значения оптимальных параметров проезжей часта автодорога с колейным покрытием для разных составов транспортного потока и режимов движения автопоездов. При этом ширина колёсопровода во всех случаях превышает I м.

Проведённое исследование нагружения элементов шарнирно-сочленённых колёсопроводов автопоездом КрАЗ-6437 + ГКБ-9362 показывает, что величина максимального давления на основание и толщина основания уменьшаются с увеличением длины и ширины плиты и мало чувствительны к изменению её толщины.

Значения экстремальных изгибающих моментов: положительного и отрицательного в продольном направлении плиты определялись при изменении длины плиты от 3 до 6 м через 0,5 м, толщины ог 0,1 до 0,13 м через 0,005 м для значений ширины 1,0, 1,57 и 1,74 м с учетом влияния слоя основания и собственного веса плиты. В результате получено, что отрицательный момент в дорожной плите изменяется в пределах 5...8 кН-м, причем амплитуда его изменения в зависимости от толщины плита возрастал- с увеличением её длины. Положительный момент изменяется в широких пределах и может достигать 45 кН-м в плитах, имеющих значительную гибкость, что обуславливается влиянием нагрузок, расположенных на плитах, смежных с расчётной. Сложная зависимость изгибающих моментов в плите от её параметров обусловлена дискретностью изменения внешней нагрузки. Увеличение ширины плиты приводит к снижению гмрлитуды изменения изгибающих моментов, как правило, за счёт уменьшения гибкости. Максимальный положительный момент в плите возникает в среднем сечении при определённом положении расчётной оси на плите, которое определяется имитационным моделированием. Максимальный отрицательный момент в плн ге возникает в сечениях, удалённых на определённое расстояние от торцов плиты при пагзукенни расчётной силой одного из торцов, но могут быть исключения. Для различных размеряв плит и автопоезда КрАЭ-6437 + ГКБ-9362 определены номера расчётных осей, и координаты положения их колес на плите, при которых возникают экстремальные значения изгибающего_ момента в продольном направлении.

Установлено, что наименьшие по абсолютной величине положительные моменты с малой амплитудой изменения в зависимости от толщины плиты возникают в плитах длиной 3 и 4,5 м не зависимо ог ширины плиты. Проведены дополнительные исследования дня плит, имеющих длины близкие к 3 и 4,5 м. Установлено, что наименьшие значения моментов дпя плит шириной 1 м будут при длинах 2,5... 3,1 м.адия 1,57 и 1,74 м — 3,1, 4,3,4,4 и 4,6 м.

Рассчитаны технико-экономические показатели сборных покрытий на основе которых установлено, что минимум суммарных денежных затрат на строительство и эксплуатацию покрытия приходится на конструкции с длиной

плиты соответствующей минимальному значению положительного момента и минимальной толщиной. Таким образом, уменьшение толщины плиты является весомым фактором, позволяющим повысить эффективность сборных покрытий, а длину плиты надо выбирать из условия возникновения меньшего значения продольного изгибающего момента. Расход арматуры пропорционален значениям расчётного момента и возрастает с уменьшением толщины плиты, но это возрастание не сказывается на затратах.

Надёжность дорожной конструкции оценивается с учётом потерь от ДТП, величина которых зависит от режимов эксплуатации дороги, а именно, количества пропускаемых автомобилей в течение установленного срока эксплуатации. На рис. 4.1 — 4.3 представлены диаграммы, показывающие величину приведённых затрат на строительство и эксплуатацию сборных покрытий из плит различных длины и ширины при определённых количествах пропускаемых автомобилей.

3,0 2,9

2,8 2,7 2,6 Длина плиты, м

Рис. 4.1. Диаграмма распределения суммарных приведённых денежных затрат на строительство и эксплуатацию сборных покрытий автодорог с учётом потерь от ДТП из плит шириной 1 м.

Из рис. 4.1 — 4.3 видно, что при ширине плиты 1 м оптимальные длины 2,6 м (150 тыс. авт.) и 2,7 м (300 тыс. авт. и более), при 1,57 м — 3,1 м (0,15...1,2 млн. авт.) и 3,3 м (1,5...1,8 млн. авт.), при 1,74 м — 3,1 м (0,15...0,3 млн. авт.), 3,3 м (0,6... 1,5 млн. авт.)и 4,4 м (1,8 млн. авт.).

В результате имитационного моделирования процесса монтажного на-гружения дорожных плит установлено, что в качестве критерия оптимизации координат расположения монтажных узлов следует применять минимум сум-

маркого момента, при котором фактические экстремальные положительный и отрицательный момента в плите незначительны.

ЗД

4,3 4,0 3,5 3,2 3,3 3,1 3,0 Длина штаты, м

Рис. 4.2. Диаграмма распределения суммарных приведённых денежных затратна строительство и эксплуатацию сборных покрытой автодорог с учётом потерь от ДТП из плит шириной 1,57 м.

& 2,6^

4,6 4,3 4,4 4,3 4,0 3,.') 33 ЗД 3,1 3,0 Длина плиты, м

б /

Рис. 4.3. Диаграмма распределения суммарных приведённых денежных затрат на строительство и эксплуатацию сборных по:срытий автодорог с учётом потерь от ДТП из плит шириной 1,74 м.

5. Эффективность оптимизации параметров сборных покрытий автомобильных дорог. Оптимизация параметров проезжей части автомобильных дорог позволяет снизить затраты на устройство и содержание покрытия, а гак же на производство земляных работ. Увеличение ширины колёсопровода, сопровождающееся дополнительными затратами на строительство и эксплуатацию покрытия, способствует повышению производительности автопоездов и снижению себестоимости перевозок.

Сравнительная оценка разработанных" вариантов конструкций плит с известными показывает снижение расхода арматуры и уменьшение массы 1 м2 покрытия, что создаёт предпосылки целесообразности применения разработанных методов проектирования сборных дорожных покрытий.

Оптимизация конструктивных параметров сборных дорожных покрытий позволяет снизить затраты на их строительство и эксплуатацию и тем самым получить определённый экономический эффект.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Анализ взаимодействия элементов системы ВАДС показал ведущее влияние на формирование надёжности транспортного процесса конструктивных параметров автомобильной дороги и её одежды (покрытия), задаваемых при проектировании.

2. Выбран критерий оценки надёжности сборного покрытия автомобильной дороги — суммарные приведённые денежные затраты на его строительство и эксплуатацию, включающие затраты на производство плит и их деталей, строительство и содержание покрытия, замену вышедших из строя плит и стыков, восстановление основания и ликвидацию последствий ДТП. Указанный критерий следует использовать в качестве ошимизационного при разработке проектов сборных дорожных покрытий с ограничениями, определяющими удобство и безопасность движения, соответствие экологическим требованиям.

3. Установлены зависимости скорости и безопасности движения от длины дорожной плиты, неблагоприятными являются малые длины.

4. При расчёте параметров проезжей части дороги с колейным покрытием следует в качестве базового использовать метод М.С. Замахаева.

5. Сборное покрытие автомобильной дороги является сооружением на упругом основании. В продольном направлении плита имеет сложную схему нагружения и опирается на упругое полупространство в связи, с чем для определения усилий в плите и основании целесообразно использовать метод Б.Н. Жемочкина. В поперечном направлении из колёсопроводов следует выделять полосы шириной 1 м, что даёт возможность воспользоваться решениями М.И. Горбунова-Посадова для полос в условиях плоской деформации с учётом коэффициентов введённых C.B. Коноваловым.

6. При погрузочно-разгрузочных и монтажных работах в плитах возникают усилия, которые являются функциями координат монтажных узлов.

7. Разработаны алгоритмы и программы для ЭВМ позволяющие в автоматизированном режиме рассчитать оптимальные конструктивные параметры сборного покрытия автомобильной дороги.

8. Ширина кодёсопровода на дороге с колейным покрытием в современных условиях значительно превышает традиционную его величину (1 м), что требует создания широких дорожных плит (1,5 м и более).

9. На усилия, возникающие :з дорожной плите, влияют определённые факторы, среди которых её размеры, величина и расположение нагрузки на ней и смежных с ней плитах, геометрические параметры автопоезда.

10. При расчёте дорожных плит следует учитывать все возможные варианты положения подвижной нагрузки на расчётной схеме из трех плит, что позволит установить максимальные по абсолютной величине изгибающие моменты. Данная процедура осуществляется на ЭВМ, для чего разработаны математическое, информационное и программное обеспечение.

11. При реальных условиях эксплуатации сборных дорожных покрытий изменение усилий в его элементах происходит диагретно, а это надо учитывать при проектировании. Установлено, что характер дискретности изменения усилий в покрытии обуславливается перемещением внешней нагрузки и конечностью размеров плит.

12. Можно рекомендовать следующий порядок назначения геометрических параметров дорожной плиты: толщина шиты устанавливается минимально возможной п проверяется расчётами по предельным состояниям; ширина — рассчитывается как параметр проезжен части по режимам движения и габаритам автопоездов; длина — определяется по минимуму суммарных приведённых затрат на строительство и эксплуатацию покрытия.

13. Проектирование сборного покрытая автомобильной дороги должно производиться в несколько этапов: выбор принципиальных конструкций покрытия и плит, вида стыкового соединения, технологии производства плит и устройства покрытия; расчёт параметров проезжей части покрытия и ширины плиты; выбор материала основания и определение его толщины; определение изгибающих моментов в плите; проверка сечений плиты по предельным состояниям и-расчёт потребности арматуры; доя принятого диапазона длин плит рассчитываются суммарные приведё нные денежны*; затраты и другие технико-экономические показатели; выбирается оптимальная длина плита; устанавливаются координата,! расположения монтажных узлов и их конструктивные параметры; вычерчиваются поперечные профили покрытий.

14. Оптимизация параметров сборных покрытий автомобильных дорог позволяет получить экономический эффект до .300 ше. руб. на 1 км и 100 руб. на 1 м2 покрытия (в ценах 1998 г.), а учёт фактических условий эксплуатации в оптимизационных: моделях — повысить урове нь их надёжности.

15. Разработанные математические модели процессов взаимодействия автопоездов с парамипрами и конструктивными элементами сборного покрытия автодороги и алгоритмы их реализации дают возможность проведения автоматизированных научных исследований подсистем «автопоезд — дорога» и «до-

рога — автопоезд» структуры ВАДС с целью разработки рекомендаций по ci вершенствованию методов проектирования и способов строительства и соде] жания дорог со сборными покрытиями, а следовательно способствуют индус риализации строительства автомобильных дорог.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В

РАБОТАХ:

Т. Стыковые соединения колейных автомобильных дорог. // Н.И. Чубо Д.Н. Афоничев, A.A. Зеленев и др. // Воронеж: ВГЛТА, 1995, 15 с. Деп. в В1 НИТИ 6.06.95, № 1651 - В95.

2. Чубов Н.И., Курьянов В.К., Афоничев Д.Н. Стабилизация устойчивое! колейных лесовозных автомобильных дорог (монография). //Воронеж: ВГЛТ/

1995, 173 с. Деп. в ВИНИТИ 20.12.95, №3417-В95.

3. Афоничев Д.Н., Асмолов В.Э., Морковин В.А" Перспективные naripai ления совершенствования колейных покрытий лесовозных автомобильных Д( рог. // Воронеж: ВГ ЛТА, 1996, 15 с. Деп. в ВИНИТИ 28.02.96, № 654 - В96.

4. Курьянов В.К., Чубов Н.И., Афоничев Д.Н. Проблемы и критерии кач' ства строительства и функционирования колейных лесовозных автомобильнь дорог. // Воронеж: ВГЛТА, 1996, 24 с. Деп. в ВИНИТИ 28.02.96, № 657 - В96.

5. Предпосылки оптимизации устойчивости и безопасности движения а: тотранспорта по колейным автомобильным дорогам из сборно-разборных д( рожных элементов. // Д.Н. Афоничев, В.К. Курьянов, Н.И. Чубов, A.B. Попов. Воронеж. ВГЛТА, 1996,27 с. Деп. в ВИНИТИ 28.02.96, № 658 - В96.

6. Афоничев Д.Н., Рябова О.В., Морковин В.А. Критерии и анализ иссл дований эксплуатационно-экологического уровня автомобильных дорог. // Mi лодёжь и проблемы информационного и экологического мониторинга: мат риалы Всероссийского молодёжного научного симпозиума. Воронеж: ВГТ/

1996, т.2, с. 202.

7. Афоничев Д.Н., Асмолов В.Э., Морковин В.А. Совершенствование npi ектных решений колейных покрытий лесовозных автомобильных дорог. // Ко» плексная продуктивность лесов и организация многоцелевого (многопродукт< вого) лесопользования: Тезисы Всероссийской конференции. Воронеж: ВГЛЪ 1996, с. 148- 150.

8. Повышение надёжности функционирования колейных лесовозных авт( мобильных дорог. // В.К. Курьянов, Н.И. Чубов, Д.Н. Афоничев, В.Э. Асмоло // Воронеж: ВГЛТА, 1996, 14 с. Деп. в ВИНИТИ 27.03.96, № 965 - В96.

9. Афоничев Д.Н. Математическая модель и алгоритм оптимизации г& метрических параметров дорожной плиты. // Информ. листок № 284 - 96. В» ронеж: ЦНТИ, 1996,4 с.

10. Совершенствование технологии строительства сборных покрытий а томобильных дорог. //'Д.Н. Афоничев, Н.И. Чубов, А.Б. Круцких, Т.Б. Раскош ва. // Воронеж: ВГЛТА, 1996, 11 с. Деп. в ВИНИТИ 16.07.96, № 2396 - В96.

11. Афоничев Д.Н. Математическая модель и алгоритм оптимизации ил рины полосы движения аЕ;томобильной дороги. // Информ. листок № 328 - 9 Воронеж: ЦНТИ, 1996,2 с.

12. Афоничев Д.Н., Морковин В.А., Слюсарев A.A. Алгоритм и програми для расчёта ширины полосы движения автодороги. // Информ. листок № 336 96. Воронеж: ЦНТИ, 1996, 4 с

13. Афоничев Д.Н. Исследование динамики сборных покрытий автомобильных дорог.//Воронеж. ВГЛТА, 1996, 15 с. Деп. в ВИНИТИ 11.11.96, № 306 - В96.

14. Пустотелые плиты для колейных автомобильных дорог (монография). // Д.Н. Афоничев.. В.К. Курьягюв, Н.И. Чубов и др. // Воронеж: ВГЛ'ГА, 1996, 80 с. Деп. в ВИНИТИ 11.11.96, № 3309 - В96.

15. Афоничев Д.Н., Морковин В.А. Обоснование ширины проезжей части однополосной автомобильной дороги. // Воронеж: ВГЛТА, 1996, 10 с. Деп. в ВИНИТИ 25.12.95, № 3789-В9б.'

16. Афоничев Д.Н., Морковин В.А.., Раскогова Т.Б. Оптимизация ширины проезжей части автомобильной дороги. // Воронеж: ВГЛТА, 1996, 17 с. Деп. в ВИНИТИ 25:12.96, № 3790 - В96.

17. Транспортно-эксплуатацконные качеетта сборных колейных покрытий лесных дорог. // В.К Курьянов, Н.И. Чубов, Д.Н. Афоничев и др. // Воронеж: ВГЛТА, 1997, 45 с. Деп. в ВИНИТИ 12.03.97, № 728 -В97.

18. Афоничев Д.Н. Расчёт геометрических параметров поперечного профиля колейного покрытия автомобильной дороги. // Воронеж: ВГЛТА, 1997, 26 с. Деп. в ВИНИТИ 12.03.97, № 729 - В97.

19. Афоничев Д.Н. Оптимизация геометрических параметров сборных покрытий промышленных автомобильных дорог. '/ Математическое моделирование, компьютерная оптимизация технологий, параметров оборудования и систем управления лесного комплекса: сборник научных трудов ВГЛТА. Воронеж: ВГЛТА, 1997, с. 156 -159.

20. Проблемы и перспективы оптимизации надёжности функционирования лесовозного автомобильного транспорта. // В.К. Курышов, Н И. Чубов, Д.Н. Афоничев, В.А. Морковин. // Математическое моделирование, компьютерная оптимизация технологий, ¡параметров оборудования п систем управления лесного комплекса: сборник научных трудов ВГЛТА. Воронеж: ВГЛТА, 1997, с. 160- 163.

21. Экологические проблемы строительства и эксплуатации автомобильных дорог н условиях леса. // В .К. Курьянэв, Н.И. Чубов, Д.Н. Афоничев, В.А. Морковин. // Экология и безопасность -жизнедеятельности: межвузовский сборник научных трудов. Воронеж: ВГ'ТА, 1997, с. 29 - 33 .

22. Афоничев Д.Н. Обоснование расчётные категорий дорожных сплошных предварительно напряжённых железобетонных плит. // Воронеж: ВГЛТА, 1997, 23 с. Деп. в ВИНИТИ 5.11.97, № 325'? - В97.

23. Афоничев Д.Н. Анализ конструкции, технологии строительства и эксплуатации сборных покрытой автомобильных дорог (обзор). II Воронеж: • ВГЛТА, 1997. 92 с. Деп. в ВИНИТИ 3.12.97, № 3536 -В97.

24. Курышов В.К., Афоничев Д.Н., Морковин В.А. Ресурсосбережение при разработке конструкций покрытия автомобильных дорог лесных предприятий. // Рационально«: использование ресурсного потенциала в агропромышленном комплексе: материалы Всероссийской научно-технической конференции. Воронеж: ВГАУ, 1998, с. 45.

25. Афоничев Д.Н. Разработка надёжных в эксплуатации и экономически рациональных конструкций сборных покрытий автомобильных дорог. // Рациональное использование ресурсного потенциала и агропромышленном комплексе: материалы Всероссийской научно-техничсской конференции. Воронеж: ВГАУ, 1998, с. 46.

26. Мироненко С.С., Афоничев Д.Н., Морковин В.А. Ан;ализ целево; функции экономико-математической модели надёжности сборных покрыта автомобильных дорог. // Математическое моделирование, компьютерная опти мизация технологий, параметров оборудования и систем управления лесног комплекса: сборник научных трудов ВГЛТА. Воронеж: ВГЛТА, 1998, с. 85.

27. Афоничев Д.Н. Моделирование процесса нагружения конструктивны элементов сборных покрытий автомобильных дорог. // Математическое моде лирование, компьютерная оптимизация технологий, параметров оборудовани и систем управления лесного комплекса: сборник научных трудов ВГЛТА. Вс ронеж: ВГЛТА, 1998, с. 89-93.

28. Курьянов В .К., Афоничев Д.Н., Морковин В.А. Оптимизация конструк тивных параметров автомобильной дороги как фактор повышения надёжное! транспортно-переместительного процесса. // Математическое моделировали« компьютерная оптимизация технологий, параметров оборудования и систе! управления лесного комплекса: сборник научшлх трудов ВГЛТА. Воронеж ВГЛТА, 1998, с. 212-214.

29. Афоничев Д.Н. Анализ методов расчёта параметров проезжей части ai томобильной дороги. // Математическое моделирование, компьютерная опта мизация технологий, параметров оборудований и систем управления лесног комплекса: сборник научных трудов ВГЛТА. Воронеж: ВГЛТА, 1998, с. 260.

30. Афоничев Д.Н. Автоматизированный расчёт- параметров проезжей ча< ти автомобильной дороги с колейным покрытием. // Математическое модел: рование, компьютерная оптимизация технологий, параметров оборудования систем управления лесного комплекса: сборник научных трудов ВГЛТА. Ворс неж: ВГЛТА, 1998, с. 269 - 276.

31. Афоничев Д.Н. Совершенствование методики расчёта сборных покрь тий автомобильных дорог. // Научно-технические проблемы в развитии ресу] сосберегающих технологий и оборудования лесного комплекса: материалы м< ждународной научно-практической конференции. Воронеж: ВГЛТА, 1998, -213-215.

Просим принять участие в работе диссертационного совета Д 064.06.С или прислать Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах с заверенным подписями по адресу 394613, г. Воронеж, ул. Тимирязева, 8, Воронежская roc; дарственная лесотехническая академия, учёному секретарю.

Афоничев Дмитрий Николаевич

ПОВЫШЕНИЕ НАДЁЖНОСТИ СБОРНЫХ ПОКРЫТИЙ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ ПРЕДПРИЯТИЙ ЛЕСНОГО КОМПЛЕКСА

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Подписано к печати 11.11.98. Заказ № ^¿.Объём 1 усл. п. л. Тираж 100 эк УОП ВГЛТА. 394613, г. Воронеж, ул. Тимирязева, 8.

У у,/ , «•*> X

ВОРОНЕЖСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ЛЕСОТЕХНИЧЕСКАЯ

АКАДЕМИЯ

АФОНИЧЕВ Дмитрий Николаевич

На правах рукописи

С -

ПОВЫШЕНИЕ НАДЁЖНОСТИ СБОРНЫХ ПОКРЫТИЙ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ ПРЕДПРИЯТИЙ ЛЕСНОГО КОМПЛЕКСА

Специальность 05.21.01 — Технология и машины лесного хозяйства и

лесозаготовок

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель

Научный консультант

академик РАЕН и ЖКА РФ, доктор технических наук, профессор В.К. Курьянов кандидат технических наук, доцент Н.И. Чубов

Воронеж— 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение.......................................................................................................................7

1. Состояние проблемы. Цель и задачи исследований.........................................11

1.1. Надёжность как комплексное свойство и технико-экономический показатель автомобильной дороги..............................................................11

1.1.1. Структура и свойства надёжности.....................................................11

1.1.2. Надёжность автомобильной дороги..................................................15

1.1.3. Методы количественной оценки надёжности..................................17

1.2. Современное состояние конструкции и технологии строительства сборных покрытий автомобильных дорог..................................................25

1.2.1. Конструктивные параметры сборных покрытий автомобильных дорог.....................................................................................25

1.2.2. Дорожные плиты.................................................................................29

1.2.3. Стыковые соединения и швы.............................................................38

1.2.4. Технология изготовления плит и строительства сборных покрытий автомобильных дорог........................................................42

1.3. Анализ методов расчёта сборных покрытий автодорог.............................48

1.4. Состояние вопроса обоснования геометрических параметров дорожных плит...................................................................................................52

1.5. Цель и задачи исследований..........................................................................55

1.6. Выводы............................................................................................................56

2. Теоретические основы повышения надёжности сборных покрытий автомобильных дорог...........................................................................................60

2.1. Формирование надёжности автомобильной дороги...................................60

2.2. Разработка экономико-математической модели повышения надёжности сборных покрытий автомобильных дорог..............................64

2.3. Влияние параметров сборных дорожных покрытий на условия и безопасность движения.................................................................................66

2.4. Теория расчёта параметров проезжей части автомобильных дорог........71

2.4.1. Теоретические основы расчёта ширины проезжей части автомобильной дороги............................................................................71

2.4.2. Расчёт ширины полосы движения с учётом состава транспортного потока...................................................................................79

2.4.3. Расчёт параметров проезжей части дороги с колейным покрытием ................................................................................................83

2.5. Теоретические основы расчёта усилий в элементах сборных покрытий автомобильных дорог......................................................................87

2.5.1. Обоснование методов определения усилий в элементах сборных дорожных покрытий............................................................88

2.5.2. Приведение внешних усилий к расчётным и определение расчётной схемы продольного направления....................................89

2.5.3. Теория расчёта дорожных плит в продольном направлении.........94

2.5.4. Расчёт дорожных плит в поперечном направлении........................99

2.5.5. Определение толщины основания и учёт её при расчёте усилий в плите...................................................................................100

2.5.6. Проверка плит на монтажную нагрузку..........................................102

2.6. Выводы..........................................................................................................105

3. Имитационное моделирование на ЗВМ процессов взаимодействия автопоездов с элементами дорожных покрытий.................................................109

3.1. Постановка задач имитационного моделирования...................................109

3.2. Оптимизация параметров проезжей части автодороги с колейным

покрытием....................................................................................................111

3.2.1. Математическая модель процесса взаимодействия автопоездов с параметрами проезжей части..............................................111

3.2.2. Алгоритмы вычислений оптимальных параметров проезжей части автомобильной дороги...........................................................113

3.2.3. Формирование базы исходных данных для расчёта параметров проезжей части автодороги.................................................117

3.3. Методика определения усилий в элементах сборных дорожных

покрытий......................................................................................................123

3.3.1. Математическая модель процесса нагружения элементов сборного дорожного покрытия......................................................123

3.3.2. Алгоритмы расчёта усилий в элементах сборного дорожно-

го покрытия......................................................................................128

3.3.3. Формирование базы исходных данных для расчёта усилий в

элементах сборного дорожного покрытия....................................146

3.4. Методика проведения оптимизации параметров сборных дорожных покрытий по оценочному критерию надёжности............................150

3.4.1. Экономико-математическая модель повышения надёжности сборных покрытий автомобильных дорог......................................150

3.4.2. Алгоритм расчёта технико-экономических показателей сборных покрытий автомобильных дорог......................................161

3.4.3. Формирование базы исходных данных для расчёта технико-экономических показателей сборных дорожных покрытий.........168

3.5. Методика проведения оптимизации расположения монтажных узлов на дорожной плите...............................................................................178

3.5.1. Математическая модель процесса нагружения дорожной плиты при монтажных и погрузочно-разгрузочных работах.......178

3.5.2. Алгоритм расчёта координат расположения монтажных узлов на дорожной плите.....................................................................179

3.5.3. Формирование базы исходных данных для определения оптимального расположения монтажных узлов на дорожной плите...................................................................................................179

4. Результаты оптимизации параметров сборных покрытий автомобильных дорог..............................................................................................................185

4.1. Результаты оптимизации параметров проезжей части дороги с колейным покрытием........................................................................................185

4.2. Результаты исследования процесса нагружения конструктивных элементов сборных дорожных покрытий...................................................190

4.3. Результаты оптимизации параметров сборных покрытий автомобильных дорог................................................................................................211

4.4. Результаты оптимизации расположения монтажных узлов на дорожных плитах...............................................................................................227

4.5. Выводы..........................................................................................................231

5. Оценка эффективности оптимизации параметров сборных покрытий автомобильных дорог..........................................................................................235

5.1. Эффективность оптимизации параметров проезжей части автодороги ...............................................................................................................235

5.2. Оценка эффективности предлагаемых конструкций плит по материалоёмкости ...............................................................................................238

5.3. Оценка экономической эффективности оптимизации параметров сборных дорожных покрытий....................................................................240

5.4. Выводы..........................................................................................................240

Основные выводы и рекомендации.......................................................................243

Список использованных источников.....................................................................246

Приложение П. 1.......................................................................................................261

Приложение П.2.......................................................................................................263

Приложение П.З.......................................................................................................265

Приложение П.4.......................................................................................................267

Приложение П.5.......................................................................................................268

Приложение П.6.......................................................................................................285

Приложение П.7.......................................................................................................287

Приложение П.8.......................................................................................................292

Приложение П.9.......................................................................................................294

Приложение П. 10.....................................................................................................296

Приложение П. 11.....................................................................................................297

Приложение П. 12.....................................................................................................299

Приложение П. 13.....................................................................................................300

Приложение П. 14.....................................................................................................309

Приложение П. 15.....................................................................................................311

Приложение П. 16.....................................................................................................312

Приложение П.17.....................................................................................................313

Приложение П.18.....................................................................................................315

ВВЕДЕНИЕ

Многоцелевое, неистощительное лесопользование требует принципиально новых подходов к освоению лесных ресурсов. Основой освоения лесов является строительство дорог, которое при современных цивилизованных условиях лесопользования должно базироваться на последних достижениях науки и техники. Передовым и прогрессивным направлением в дорожном деле является индустриализация строительства, которая позволяет за короткие сроки создавать дороги с высококачественными покрытиями, кроме того, она может быть эффективна при реконструкции существующих дорог.

Современные методы ведения лесного хозяйства и организации лесопромышленного производства требуют принципиально нового подхода к проектированию автомобильных дорог лесных предприятий, которые предназначены не только для вывозки древесины, но и обслуживания и обеспечения процессов возобновления и охраны лесных ресурсов, различных видов побочного пользования. Принципы и методы проектирования дорог предприятий лесного комплекса должны учитывать особенности лесной территории и транспортных потоков, состоящих из автомобилей общего назначения и крупногабаритных лесовозных автопоездов.

Существующие лесные дороги на большей своей протяженности характеризуются низким качеством покрытия, что требует при их реконструкции, а также при проектировании новых уделить особое внимание вопросам надёжности и качества покрытий, в том числе сборных.

На основе изложенного можно заключить, что важную роль в совершенствовании процессов ведения лесного хозяйства и заготовки древесины играет разработка надёжных, дешёвых конструкций покрытий (дорожных одежд) автомобильных дорог. Именно поэтому исследования в области повышения надёжности сборных покрытий автомобильных дорог лесных предприятий на стадии проектирования являются весьма актуальными в настоящее время.

Цель работы: повышение надёжности сборных покрытий автомобильных дорог лесных предприятий на стадии проектирования путём совершенствования методов определения усилий в их элементах, расчёта геометрических параметров и создания математического, информационного и программного обеспечения для автоматизированного проектирования сборных покрытий.

Научная новизна работы заключается в разработке принципиально новых методов:

> Расчёта параметров проезжей части автомобильной дороги с колейным покрытием с учётом состава транспортного потока;

> Определения усилий в элементах сборного дорожного покрытия с учётом характера расположения и изменения нагрузок на плитах;

> Определения монтажных усилий в плитах;

> Исследования влияния размеров дорожной плиты на условия и безопасность движения автопоездов.

Впервые получены зависимости для определения перемещений сечений дорожной плиты от внешней произвольно расположенной нагрузки, параметров проезжей части дороги с колейным покрытием для разных типов полос движения, координат опасных сечений плиты и моментов в них от монтажных нагрузок в зависимости от характера расположения монтажных узлов.

Предложены алгоритмы и программы для ЭВМ, реализующие математические модели процессов взаимодействия автопоездов с параметрами проезжей части, нагружения элементов сборного покрытия подвижной нагрузкой, расчета технико-экономических показателей покрытий и проверки плит по предельным состояниям, монтажного нагружения плит, которые позволяют установить оптимальные параметры проезжей части автомобильной дороги с колейным покрытием, толщину основания и экстремальные значения моментов в плите, оптимальные конструктивные параметры плит и покрытий в целом и координаты расположения монтажных узлов.

На защиту выносятся следующие основные положения и результаты исследований:

1) Теоретические основы построения моделей повышения надёжности сборных покрытий автомобильных дорог на стадии проектирования;

2) Методика расчёта параметров проезжей части автодороги с колейным покрытием;

3) Методика расчёта усилий в элементах сборных дорожных покрытий, вызываемых нагрузкой от многоосевых автопоездов;

4) Теоретические основы расчёта монтажных усилий в дорожных плитах;

5) Математические модели процессов взаимодействия автопоездов с параметрами проезжей части, нагружения элементов покрытия подвижной нагрузкой, расчёта технико-экономических показателей и проверки по предельным состояниям, монтажного нагружения плит;

6) Алгоритмы, реализующие математические оптимизационные модели обоснования параметров сборных автодорожных покрытий;

7) Результаты определения усилий в элементах покрытия и оптимизации параметров плит и покрытий по оценочному критерию надёжности;

8) Оценка эффективности применения полученных результатов оптимизации параметров плит и покрытий.

Практическая ценность работы заключается в том, что предлагаемые методики дают возможность на стадии проектирования заложить требуемый уровень надёжности для конкретных условий эксплуатации. Алгоритмы и программы, реализующие модели процессов взаимодействия автопоездов с параметрами проезжей части, нагружения элементов покрытия подвижной нагрузкой, расчёта параметров покрытий и проверки плит по предельным состояниям, монтажного нагружения плит обеспечивают оптимизацию параметров сборных дорожных покрытий в САПР автомобильных дорог.

Реализация работы. Рекомендации, составленные на основе предлагаемых методов расчёта параметров покрытий и результатов имитационного мо-

делирования, выполненного в диссертационной работе, использовались Центром дорожно-мостового проектирования «ЛТЛ» (г. Воронеж) при разработке проектов ведомственных дорог в Калужской области.

Разработанные модели, алгоритмы и программы внедрены в учебный процесс ВГЛТА при выполнении курсовых и дипломных проектов по специальности 260100 — «Лесоинженерное дело».

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на: Российском молодёжном научном симпозиуме «Молодёжь и проблемы информационного и экологического мониторинга» (25-28 марта 1996 г., г. Воронеж); Всероссийской конференции «Комплексная продуктивность лесов и организация многоцелевого (многопродуктового) лесопользования» (13-14 декабря 1995 г., г. Воронеж); Всероссийской научно-технической конференции «Рациональное использование ресурсного потенциала в агропромышленном комплексе» (3-4 июня 1998 г., г. Воронеж); международной научно-практической конференции «Научно-технические проблемы в развитии ресурсосберегающих технологий и оборудования лесного комплекса» (24-26 сентября 1998 г., г. Воронеж); ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского состава в ВГЛТА с 1995 по 1998 г.

Публикации. Автором диссертации совместно с преподавателями, аспирантами кафедры транспорта леса и инженерной геодезии и студентами лесо-инженерного факультета ВГЛТА опубликовано по материалам диссертации 31 работа, в том числе 2 монографии.

Объём и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов и рекомендаций, списка использованных источников, включающего 148 наименований и 18 приложений. Общий объём работы 315 страниц машинописного текста с 35 таблицами и 67 рисунками, в том числе 55 страниц приложений. Приложения включают программы для ЭВМ, промежуточные результаты имитационных экспериментов, акты внедрения результатов работы.

1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Надёжность как комплексное свойство и технико-экономический показатель автомобильной дороги

Теория надёжности сравнительно молодая отрасль знания, её возникновение связано с появлением ламповой аппаратуры и подшипников, которые в начальной стадии испытаний и внедрения часто выходили из строя [53, 99, 141, 143, 144, 146, 147, 148]. Применительно к сложным техническим системам вопросы надёжности изучены ещё не достаточно глубоко. Существует проблема выбора критериев для количественной оценки надёжности сложных технических систем [51, 99, 141, 144, 148]. С