автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Расчет жесткого аэродромного покрытия с заданным уровнем надежности

РГ6 од

МОСКОВСКИЙ'ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ЛБТОШШЕЬНО-ДОРОЕНЫЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УШЕЕРСШЕТ)

На прават рукописи

ВАФИК ХАСАН

РАСЧЕТ ЖЕСТКОГО АЭРОДРОШОГО ПОКРЫТИЯ С ЗАДАННЫМ УРОВНЕМ НАДЕЖНОСТИ

05.23.11 - Строительство автомобильных дорог и аэродромов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1993

Работа Бшюмкгна на кафедре "Аэропорты и конструкции" Московского Государственного ордеаа Трудового Красного Знамена автомобально-дорояного института (технический укивер-сстэт).

Научный руководитель - кандидат тохншесккс наук

Степушш А.П,

Одшщальше оппоненты - доктор технических наук

Яковлев Ю.М.

кандидат техадческгх парт. Елнсиа В.£.

Ведущая организация - ПИ ж НИИ Аэропроект ГА

Защита состоится 20 мая 1993 г. в 12 п. в ауд.42 на заседании сшацаализнровааяого совета Д 0S.30.0I ВАК при Московском Восударствеаном ордена Трудового Красного Знамени автомобагьяо-дорсшаоы институте (технстеско;,; унжвзр-сягета) со езресу: 125329, ГСП, Москва, A-3I9, Ленинградский проспект, 64.

С диссертацией иоаао ознакомиться в библиотеке инстн-

тута.

Телекса дои справок 155-Ш-28. ' Автореферат разослан "_"_ 1993 г.

Ученый секретарь

стциализиразакного совэта __

Д 053.30.01 ВАК пряШЩ ^ ' ¡^Сш2ов каад.тахн.наук, доггзнт

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА. РАБОТЫ

Актуальность работы. Аэродромные покрытия являются наиболее дорогостоящими сооружениями в комплексе аэропорта. Поэтому повышение надежности конструкций азродромншс покрытий является одной из актуальных задач на совреманном этапе проектирования аэропортов. Равенне этой задачи возможно лишь на основе привлечения ыатеиаиггескяз методов теории вероятностей и случайных функций, позволяющее учесть изменчивость фгашкьмеханических свойств материалов, закономерности распределения нагрузок от воздушных судов и климатических факторов.

Целью диссертационной работы является разработка методики расчета жесткого аэродромного покрытая с заданным уровнем надежности, позволявшего учесть стохастическую- природу нагрузок на аэродромное покрытие от воздействия колес главных опор шасси воздушшх судов и температуры, а также изменчивость- прочностных и деформационных характеристик материалов.

Натчная новизна работы заключается в следупцем:

1. Разработана методика расчета жесткого аэродромного покрытия с заданным уровнем надежности, отрагагщая природно-климатические особенности Сирии, вероятностный характер воздействия эксплуатационные нагрузок и изменчивость прочностных и деформационных характеристик материалов. "

2. Установлены закономерность и статистические параметры распределения проходов колес главных, опор воздушных судов по ширине участков аэродромных покрытий.

3. Уточнена методика расчета числа приложений нагрузок от воздушных судов на плиту аэродромного покрытая от спектра воздушных судов.

4. Установлены статистические параметры, характеризующие изменчивость коэффициента постели грунтового основания по

сезонам года.

5. Установлены закономерность к статистические параметры распределения прочности цементобетона на растяжение при изгибе.

6. Установлены статистические параметры, характеризующие распределение взлетных масс воздушных судов.

7. Установлены статистические параметры, характеризующие отклонение толщины плиты от проектной, обусловленное технологическими факторами.

ш

Практическая ценность. Разработанная методика расчета кон- ' струхций местного аэродромного покрытия о заданным уровнем кадоа-ностя на стадги проектирования, позволяв? более полно учесть зеро-«гностгагЯ характер воздействия энсплуатздиокнцг кагрузск от колес главных опор васси воздушных судов и температуры по сравнгчиз с д т всмиккроваянши методами расчета.

Реаизсгая работы. Результаты работы вырваны в разработке ыыгодекеекгх рекомендаций для ПЫ и КИЙ Аэропроект ГА по расчету и оценке несущей способности кесткжс аэродромных покрктий. По тем опубликованы 2 работы.

Апробация работа. Диссертационная ре^ота Еыпошзка на кафед "Аэропорты и хонегдукцж" ¿ДДЛ,

Структура и обош работы. Д^ссзра-ация состоит ез вездвкин, четырех глав, обгрк выводов, трзх прклоаенйй и сэдеракт 192 страницы «клинописного текста, 26 рисунков, 48 таблиц, списка использованной литературы из 112 наименований.

СОДЕРЖАНКЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность тема, сформулирован? цель работы, излояена научная новизна к практическая ценность работы.

В первой главе рассмотрено состояние теории расчета плит на упругом основании, проведен анализ исследований, посвященных учету вероятностно-статистической природы эксплуатационных нагрузок, прочностных и дефорнацконкых характеристик материалов. Установлено, что существующий метод расчета гестхих аэродромных покрытий недостаточно учитывает вероятностно-стагисткческуп изменчивость внутренних уешшй, возкиггазацте в плитах жестких аэродромных покрытий от совместного воздействия главных опор шасси воздушных судов и температуры, коэффициента постели грунтового основания, амплитуды колебания температуры на поверхности цементобетона и отк. нение толщины плита от проектной, обусловленное технологическими факторами.

Исследования вопросов совершенствования и развития метода расчета жестких аэродромных покрытий посвящены работы В. Ф. Бобков Г.Я.Глуткова, А.С.Смирнова, Е.А.Лалатникова, Ji.il. '&нэелова, В.Е. Тригони, Б.й.Демина, А.П.Виноградова, Л.й.Горепкого, А.ILСтепуки В.Д.Садозого, В.А.Лавровского, О.Н.Тоцкого, В. И. Майорова, В.П.Ап тиной, А.Я.Ашзолонова, В.А.Кульчицкого, В.А.Елисика, Б.И.Смол—

ки, Б.В.Татаринова и др. Результаты этих исследований нашли отражение в нормативном документе по проектированию аэродромов СНк11 ••2.05.08-85.

Метод расчета жестких аэродромных покрытий, принятый в нормативном документе, является детерминированным, поскольку из мнокества возможных состояний конструкции покрытая рассматривает лишь самое неблагоприятное, при котором ¡¿ишшашше значения прочностных и дзфориааионнызс характеристик материалов совпадает, а вероятностный характер воздействия эксплуатационных нагрузок учитывается недостаточно.

Эти обстоятельства дозволили сформулировать следующие; основные задачи диссертационного исследования:

I) выполнить теоретические исследования по оценке статистических характеристик изгибающего момента в плите жесткого аэродромного покрытия от воздействия эксплуатационных нагрузок;

2} выполнить теоретические исследования по определению статистических параметров предельного изгибатаего момента для плиты жесткого аэродромного, покрытия;

3¡( выполнить теоретические исследования по учету вероятностного характера распределения проходов колес павши опор воздушных судов при определении расчетного числа приложений нагрузок;

4) разработать методику расчета жесткого аэродромного покрытия с заданным уровнем,надежности на стадии проектирования;

5) выполнить экспериментальные исследования ло определению статистических параметров, характериэуицих закономерность распределения взлетных; масс воздушных судов, прочности цементобетона на растяжение при изгибе,. деформационных характеристик грунтов и отклонение толщины жесткого аэродромного покрытия от проектной, обусловленное технологическими $актораш.

Вторая глайа посвящена теоретическим исследованиям, связанным с определением вероятностно-статистических характеристик взгнбащих моментов в1 плитах жестких аэродромшх покрытий, позволяющих учесть случайный характер внешних нагрузок, изменчивость $изико-мвханическнх свойств материалов, тоадины плиты и заданный уровень надежности. В этих целях был использован метод статистической линеаризации . . теории случайных функций нескольких случайных аргументов.

Случайная величина изгибающего мсагента в плите от воздей-

1 3 :

; ствия колес главных опор шасси рассматривалась как функция четырех случайных аргументов: нагрузки на колесо, толщины плиты, модуля упруго с тк цементобетона и коэффициента постели упругого основания.

Для определения математического ожидания и дисперсии случайной .функции изгибавшего момента в плите от воздействия колесной нагрузки методом статистической линеаризации было использовано детерминированное решение Л.И.Манвглова для шиты на упругом основании, отвечавшем гипотезе Бипклера. Разлокение данного решения в ряд Тэйлора и четырехкратное ее дифференцирование по каждому из случайных аргументоз позволило найти ее ма-таматичесиое ожидание н дисперсии в следукшей форме:

fnA= • ?ö,085Ё61-Ук3-0,012раVß.oasEßtyKs ?(1 )

где md- среднее значение изгибающего момента в плите от воздействия колесной нагрузки; - среднее значение расчетной нагрузки на колесо, определяемое по формуле:

f-H-Q-Кгд у, у,

Гй-пИГ^« (2)

М - среднее значение взлетной массн воздушного судна;

о - ускорение свободного падения;

Кгд- коэффициент, учигыващяй долю взлетной массы, приходящуюся на главные опоры шасси;

КА- коэффициент динамичности:

Ур - коэффициент разгрузки;

Пг,- число главных опор шасси;

п*- количество колес на главной опоре шасси;

Eg - среднее значение модуля упругости цементобетона;

Rs- среднее значение коэффициента постели грунта;,

t - среднее значение толщены шшты;

к _ (amis! + /НУ -4- / 1мU + (д,шТ-£2

[Tbl ь%+ [ öEtJ \акГ/ UW ь ? (з)

где £Vry- дисперсия случайной величины изгибающего момента в плите от воздействия колесной нагрузки.

LaJ

4^ = 0,0259<аУ Ра/11 -\/ьь-Г3/к5

ЗР<1 ; ( 4 3

0,006Ра\/0,085^1УК5- 0,024ГД\|о,0&5Е^/к, ( - }

Беь, И ^ - срзднеквадр&гнческие отионения со-

гветственно нагрузки На колесо, модуля упругости цаюнтобетона, *зф$ицивнта постели грунта и толщины плиты.

Для определения математического ожидания и дисперсии случай-зй функции изгибающего момента от воздействия температуры ис-зльзовано трансформированное решение И.А.Фдникова я Б.Д.Садово-з для вычисления температурных напряжений коробления в краевой эне плиты.

т. =0,1067 «¿^Ёь щт(А) . (8)

. {9)

Случайная функция предельного йзгибапцего моманга плиты зсткого аэродромного покрытия рассматривалась как функция трех яучайных аргументов: прочности цементобетона на растяжение при 5гибе, толщины плиты и числа приложений нагрузок от колес раешного воздутаого судна.

: о

Для определения математического ожидания, дисперсии и коэффициента. вариндан случайной функции предельного изгибаедаго момента получены следущие фоамулы

гдо _

И

п

(0,7-5 +0,ш^т)

С 10 ) С II )

- среднее зкачьние прочности цементобетона на растяжение при изгибе;

- среднее число приложений нагрузок;

а. .= (ЫЫ^НШ*

и.

. ( 12 )

и 1 М". ' ' « " ■ • и и. ■

])т - дисперсия случайной величины предельного изгябаасщего

момента

зи а '

V -Ш^- 1Щ1 ти " {ШГ

( 13 )

( 14 )

( 15 )

( 16 )

С учетом (3),(8),С9)и(1) для определения коэф фициента вариации суммарного нэгябаэдего момента в плита жесткого аэродромного покрытия от воздействия нагрузки и температуры получена следующая формулад^

Чп^гщ" ГПл+ЙЦ

гдвМту.+ПЦГ коэффициент вариации суммарного изгибающего момента от воздействия транспортной нагрузки и температуры; ГП и средние значения изгибащих моментов в плите соогвет-^ ственко от колес главных опор и температуры.

( 17 )

Для учета вероятностного характера воздействия яа аэродромное покрытие эксплуатационных нагрузок, изменчивости прочностных и деформационных характеристик материалов и возможного отклонения толщины плиты от проектного значения, обусловленного технологическими факторами, получена следующая зависимость для определения статистического коэффициента условий работа жесткого аэродромного покрытия

. (18)

где Кр- статистический коэффициент условий работа жесткого аэродромного покрытия;

Нр- аргумент нормального распределения, соответствующий уровню Р заданной надежности.

В целях сокращения трудоемкости вычислений статистического коэффициента условий работы жесткого аэродромного покрытия по формуле (18) была разработана программа расчета дгя ЭВМ на языке РЬ-1. На рис.1 представлена графическая интерпретация некоторых результатов расчета статистического коэффищента условий работы на ЭВМ.

Для определения числа приложений нагрузок от спектра воздушных судов была использована формула, предложенная А.П.Степушным

и^ЗбЗП-Ци-ПсШ'РЫ . (19)

где п - заданный срок службы жесткого аэродромного покрытия в годах;

КЛ- коэффициент приведения;

Оо— число спаренных осей на главной опоре васси воздушного судна;

число взлетов 1-го воздушного судна в сутки; коэффициент, учитывающий распределение нагрузки по ширине покрытия -

. д, ¿Ъ • . (20)

Рис. 1. Изменение статистического

коэ$фшшента условий работы Кр от заданного уровня надежности Р и толшнн шгеты гесткого аэродромного покрытия

где х2(г3) - координаты, определяющие границу влияния

паралельных проходов пневматиков самолета слева и справа от

2Г

у Ьп-Х! 2 (21)

51

(22)

!>а - ширина полосы движения, в которой следует учитывать влияние паралельных проходов нагрузок на усталостную прочность бетона, в зависимости от числа и схемы расстановки колес на главной опоре шасси. Величина 6П может быть принята равной:

- для опоры с одиночным колесом

; (23)

- для опоры со спаренными колесами в виде 4-х и 6-ти колесной тележки

(24)

- для опор, имеющих 8-колесную .тележку в виде сдвоенных 4-ко-лесных

пне - расстояние между осями спаренных колес го фронту: I - упругая характеристика плиты: 6{ - расстояние между осями 4-колесных тележек:

плотность вероятности случайной величины х, соответствующей расстоянию внешнего края отпечатка наружного колеса главной опоры от оси ВПП или РД;

((Л)- плотность вероятности нормального распределения

, (26)

ФбУ* интегралы вероятности, определяемых по таблицам ^-распределения: ^•и выборочные среднее значение и стандартное отклонение, хнрактеризупвие распределения величины Хжхя I -го воздушного судна. В целях сокращения трудоемкости расчетов по формулам (19)-

-(20.) на рис.2 приведены диаграммы для определения вероятное-" тей воздействия нагрузок от колес главных опор воздушных

судов, эксплуатируемых в аэропортах Сирии.

Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям по определению статистических параметров, характеризующих изменчивость' де($ормэдвонных характеристик грунтов, прочности цеыепто-бэтона на растянеаге при изгибе, взлетннх масс воздушных судов, толщины плиты жесткого аэродрклного покрытия и амплитуды колебания температур« на поверхности цементобетонного покрытия в условиях Сирии.

Б табл.1 приведены статистические параметры коэффициента постели легкого лнлеватого суглинка по сезонам года.

Таблица I

Сезоны года Среднее значение Ks , мЦ/м3 - Срадаеквадрати-ческое отклонение,^ ,tsS/w Коэффициент вариации, % Sí« ,

Весна 74,93 11,08 14,8

Дето 99,27 12,39 12,5

Осень 94,57 24,1 25,5

На рис.3 проведено сопоставление полученных результатов штгмпошх испытаний грунтового основания с данными других исследователей.

Для исследования закономерности распределения прочности цементобетона на растяжение при изгибе бнли использована данные испытаний контрольных образцов-балок 20x20x60 см в возрасте 28 суток построечными лабораториями аэропортов Дамаск и Внуково.

На рис.4 представлены гистограмма, полигон частот, кумулятивная кривая и кривая плотности .Ы -распределения прочности цементобетона на расщагеше при изгиба в аэропорту Дамаск.

Проведенный анализ показал, что средняя прочность цементобетона на растяжение при изгабэ в аэропорту Дамаск составила 6,6 Ша, а коэффициент вариадди Дея аэропорта Внуково эти величины составили соответственно 5,06 Ша и 10,5%.

Статистические исследования по определенно закономерности распределения взлетной массы воздушного судна типа йя-86 были проведены в аэропорту Внуково. Результаты исследования показали, что среднее значение взлетной массы воздушного судпа типа

"и/

3*5

Расстояние от оси МРД

Типы воздушные судов

1 __ В-737-200

2 — В-707-320

3 „ В-707-320 В

4 — Конкорд

5 __ в-747

/

Рис.2. Диаграмма распределения вероятностей воздействия нагрузок от воодуыных судов на участке МРД.

Еис.З. Изменение среднего значения коэфйщиента постели грунтовых оснований К^ по сезонам года:

1 -по данным А.П.Стецушина для суглинка;

2 -по данным автора для легкого суглинка;

3 -по данным А. А. Чутко ва для пылеватого

суглинка.

Рис. 4. Гистограмма, полигон частот, кумулятивная кривая и кривая Ы-распределения прочности цементобетона на растяление при изгибе на участке ЙВШ аэропорта "Дамаск", 1.Гистограмма; 2.Полигон частот; З.Хумулятивкая кривая; 4»Кривая (^-распределения.

Ил-86 составило 185,3 т, что на 9,7% ниже максимальной. Коэффи- ' тент вариации взлетной массы составил 6.2*.

Для исследования изменчивости толшинн жесткого аэродромного покрытия, обусловленное технологическими факторами. бнли проведены натурные измерения фактической толщины плиты жесткого армобетонного покрытия на участке МС аэропорта "Нижний Новгород", уложенного колесно-рельсовда комплектом машин.

Как показал статистический анализ, при проектной толщине 1=25 см фактическая толщина плиты изменялась в диапазоне от 23 до 2? см. Среднее значение толщины плиты составило 25,3 см. а коэффициент вариации - 3,4%.

Числовые характеристики амплитуды колебания температуры на поверхности цементобетона были определены на основе статистического анализа изменений температура наружного'воздуха и интенсивности солнечной радиации в различных районах Сирии за двадцатичетырехлетний период.

Результаты статистического анализа показали, что среднее значение амплитуды колебания температуры на поверхности цемен-тобетонного покрытия в условиях Сирии составляет 17-24,5°С, а ее коэффициент вариации изменяется, в интервале, от 23 до 37 %.

В четветггой главе диссертации, проведено о.бобщение результатов экспериментально-теоретических исследований и даны практические предложения по расчету жестких аэродромных покрытий с заданным уровнем надежности.

Для обеспечения заданного уровня надежности жесткого аэродромного покрытия на стадии проектирования необходимо обеспечить выполнение условия:

(та-н^)-Кр^Кр-Гпи • (27)

где ГПд- среднее значение случайной величины изгибающего момента в краевой зоне плиты, возниюшиее от воздействия колес главной опоры шасси, вычисленное при средних значениях нагрузки на колесо Р^, модуля упругости цементобетона Е^. толщине плиты и коэффициенте постели грунта К5

ГПА= К-ГПстси ; (28)

К - переходный коэффициент от изгибающего, момента в центре плиты к изгибавшему моменту при краевом

загрузенга, равный 1,2;

{ПСт - среднее значение изгибающего момента в центреплиты

тст«= т^^тццк , (29)

гп, - среднее значение изгибавшего момента в центре шттн от действия колеса, центр отпечатка которого совпадает с центром плиты:

т^-ЙО (30)

^ - средняя нагрузка ка колесо, определяемая по формуле (2) ;

-?-(<£)- функция, определяемая по табл.1 обязательного приложения 10 СНиД 2.06.08-85 в зависимости от отношения

/ („,

Яе - средний радиус круга, разновеликого по площади отпечатка пневматика колеса-

1 (32)

£ - среднее значение упругой характеристики плита

Е&, 1 и - средний значения соответственно модуля упругости цементобетона, толщины плята и коэффициента постели грунта;

ГПх(у).- среднее значение изгибающего момента, создаваемого действием 1-го колеса, расположенного за пределами центра плитн

йжсмк-М-)^;^) , (34)

где-£(-|ч функция, определяемая по табл.2 обязательного приложения 10 СНиП 2.С5.08-85:

У^ соответственно абсцисса и ордината 1-го колеса главной опоры шасси: П^- среднее;значение случайной величины изгибающего момента, возникающего в краевой зоне шшты от воздействия температуры, определяемое по формуле:

0,032*6Р-Е| А , (35)

где оС - среднее значение коэффициента линейного расширения цементобетона;

\ - проектная толщина шшты;

А - среднее значение амплитуды колебания температуры на поверхности цементобетона

А — "71 А; •

' (зб)

А^ - среднее значение амплитуды суточного колебания температуры на поверхности цементобетона в I -ом месяце года;

Кр1~ коэффициент, равный вероятности суммы средних значений совместных случайных величин изгибающих моментов в краевой зоне плиты от теыпературно-транспортного воздействия

-Р(т4)-Р(П\) = 0,?5 ; (37)

Кр- статистический коэффициент условий работы жесткого аэродромного покрытия, учитывавший совместное неблагоприятное воздействие эксплуатационных нагрузок, изменчивости прочностных и деформационных характеристик материалов, возможное отклонение фактической толщины шшты от проектной, обусловленное технологическими факторами, взлетных маов воздушных судов и заданный уровень надежности покрытия; значение может быть вычислено да формуле (18);

тц- среднее значение случайной величины предельного аз-гнбавдего момента для плиты жесткого аэродромного покрытия, определяемое по формуле (10).

Общие выводы :

1. Разработана методика, расчета жесткого аэродромного покрытия с учетом вероятностно-статистической изменчивости взлетных масс воздушных судов, числа прилокеняй нагрузок, прочности цементобетона на растяжение при изгибе, модули упругости цементобетона, коэффициента постели упругого основания, амплитуда колебания температуры на поверхности покрытая и 'заданного урозня

надежности.

2. Разработана математическая модель и программа расчета статистического коэффициента условий работы жесткого аэродромного покрытия, позволяющего учесть совместное неблагоприятное воздействие изменчивости эксплуатационных нагрузок,прочностных и деформацЕОНшх характеристик материалов и отклонение толщины плиты от проектной, обусловленное технологическими факторами.

3. На основе теоретических исследований разработаны диаг- ■■ раммы для определения вероятностей воздействия нагрузок от колес главных опор на плиты жестких аэродромных покрытий с учетом состава и интенсивности дафвни'я воздушных судов.

4. Учет вероятностного характера распределения проходов колес воздушных судов по ширине отдельных элементов аэродрома позволяет снизить расчетное число прилагений нагрузок на отдельных участках аэродромных покрытий от 22 до 4С$.

5. На основе экспериментально-статистических исследований установлена статистические параметры, характеризующие закономерность распределения Езлетных масс воздушных супов, прочности цементобетона на растяжение при изгибе и коэффициента постели грунтового основания.

6. Разработаны практические рекомендации по расчету жесткого аэродромного покрытия с заданным уровнем надежности для отдельных регионов Сирии.

7. Сопоставление результатов расчета лестного аэродромного покрытия с использованием вероятностного метода и СНиП 2.05. 08-85 показало, что учет статистической природа эксплуатационных нагрузок, прочностных л деформационных характеристик материалов позволяет более полно использовать имеющиеся резервы прочности материалов, снизить потребнув толщину плиты на 5-10$ и получить экономический эффект."

8. Задачами дальнейших исследований являются:

- дальнейшее совершенствование методов расчета жестких аэродромных покрытий с учетом вероятностного характера воздействия транспортно-температурных нагрузок;

- исследование закономерностей распределения дефорлашгон-ных характеристик грунтов с учетом гидрогеологических условий, характерных для районов Сирии;

- исследование закономерностей распределения амплитуды колебания температуры на поверхности, цементобетоняых покрытий и интенсивности солнечной радиации.

i 17

Основные положения диссертации опубликованы в работе Вафика Хасана "Повторность воздействия самолетных нагрузок на отдельных участках аэродромных покрытий" в книге: Конструктивные и планировочные решения аэродромных покрытий. ' сб.науч.тр.ШДй, М, 1У89 г.. с.73-78.