Проектирование полимербетонных слоев усиления монолитных бетонных аэродромных покрытий тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.11, кандидат технических наук Внуков, Дмитрий Николаевич

• Внуков, Дмитрий Николаевич
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Внуков, Дмитрий Николаевич

Введение.

1 Научно-технические задачи по эксплуатации аэродромных покрытий.

1.1 Обзор эксплуатационного состояния аэродромных покрытий

1.2 Анализ дефектов аэродромных покрытий требующих ремонта с использованием слоев усиления.

1.3 Способы и материалы, применяемые при ремонте бетонных покрытий.

1.4 Преимущество использования полимербетонных слоев усиления

1.5 Выводы по первой главе. Постановка цели и задач исследования

2. Моделирование полимербетонного слоя усиления методом конечных элементов.

2.1 Исследования напряженно-деформированного состояния полимербетонных слоев усиления.

2.2 Моделирование полимербетонного слоя усиления различной толщины и состава.

2.2.1 Напряженно-деформированное состояние плиты с полимербетонным слоем усиления 3 см.

2.2.2 Напряженно-деформированное состояние плиты с полимербетонным слоем усиления 5 см.

2.2.3 Напряженно-деформированное состояние плиты с полимербетонным слоем усиления 8 см.

2.3 Математическая модель напряженно-деформированного состояния полимербетонного слоя усиления. Выводы по второй главе.

3 Экспериментальные исследования напряженнодеформированного состояния полимербетонных слоев усиления дг 3.1 Цельи программа экспериментальных исследований.

3.2 Экспериментальная установка для исследований напряженно-деформированного состояния полимербетонных слоев усиления.

3.2.1 Нагружающее устройство.

3.2.2 Прибор для измерения прогибов покрытия. ф 3.2.3 Устройство для измерения усилий на границе полимербетон-бетон.

3.3 Методика экспериментальных исследований.

3.4 Анализ результатов экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния полимербетонного слоя усиления различной толщины и состава.

Выводы по третьей главе.

4 Теоретическая интерпретация полученных результатов.

Выводы по четвертой главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Проектирование полимербетонных слоев усиления монолитных бетонных аэродромных покрытий»

Актуальность темы.

Взлетно-посадочная полоса, являющаяся важнейшим элементом аэродромного комплекса, постоянно испытывает эксплутационные нагрузки и воздействия от природно-климатических факторов. Старение покрытия, его износ и увеличение взлетных масс воздушных судов приводит к изменению напряженно-деформированного состояния покрытия.

Обследование покрытий аэродромов показало, что их техническое состояние значительно ухудшилось. В условиях ограничения средств на строительство новых покрытий, актуальным становится модернизация существующих. В этой связи, приоритетными направлениями являются: разработка способов и методов повышения несущей способности покрытий, использование эффективных материалов, рациональное использование имеющейся материальной базы.

Повышение несущей способности покрытия аэродромного комплекса является одной из задач проектирования слоев усиления, уменьшающих напряжения в покрытии. Перспективным материалом, применяемым при оперативном ремонте аэродромных покрытий, является полимербетон, обладающий быстрым вводом отремонтированного покрытия в эксплуатацию.

При проектировании полимербетонных слоев усиления с использованием существующих нормативных документов, обращает на себя внимание отсутствие математических моделей работы полимербетонных слоев усиления монолитного бетонного аэродромного покрытия, лежащего на искусственном основании. Практика показывает, что использование полимербетонов различного состава приводит к неоднозначности физико-механических свойств усиленного покрытия. В связи с этим, разработана методология проектирования полимербетонных слоев усиления монолитного бетонного аэродромного покрытия, лежащего на искусственном основании, является актуальной задачей.

Работа выполнена в рамках научно-исследовательской работы "Слой-1" по заказу Управления начальника строительства, инженерного обеспечения и расквартирования Военно-Воздушных Сил Российской Федерации от 19.04.02 г.

Объектом исследований являются монолитные бетонные покрытия с полимербетонным слоем усиления, лежащие на упругом основании, в условиях воздействия многоколесных опор воздушного судна.

Целыо работы является проектирование полимербетонных слоев усиления монолитных бетонных аэродромных покрытий достаточной толщины, при их реконструкции, на основе математической модели напряженно-деформированного состояния слоя усиления аэродромного покрытия, в условиях воздействия многоколесных опор воздушных судов, с учетом коэффициента постели основания.

Задачи исследования:

- исследовать напряженно-деформированное состояние бетонных аэродромных покрытий и покрытий, усиленных полимербетонным слоем при воздействии многоколесных опор воздушного судна;

- установить основные требования для проведения экспериментальных исследований по определению достаточной толщины полимербетон-ного слоя усиления;

- разработать математическую модель напряженно-деформированного состояния покрытия с полимербетонным слоем усиления в условиях воздействия многоколесных опор воздушного судна;

- разработать методику экспериментальных исследований по определению напряженно-деформированного состояния покрытия с полимербетонным слоем усиления;

- разработать, на основе математического моделирования, условия применимости полимербетонных слоев усиления для определения их оптимальной толщины в условиях воздействия многоколесных опор воздушного судна с учетом характеристик используемого материала;

- внедрить методику определения толщины полимербетонного слоя усиления при ремонте и реконструкции аэродромных покрытий.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- разработана и экспериментально подтверждена математическая модель напряженно-деформированного состояния полимербетонного слоя усиления;

- установлено напряженно-деформированное состояние монолитного бетонного аэродромного покрытия с полимербетонным слоем усиления в условиях воздействия многоколесных опор воздушного судна;

- получена аналитическая зависимость максимальных растягивающих напряжений на нижней границе бетонного покрытия от физико-механических свойств бетона и полимербетонного слоя усиления, а также их толщины;

- установлено влияние температуры полимербетонного слоя усиления на напряженно-деформированное состояние покрытия.

На защиту выносятся:

- математическая модель напряженно-деформированного состояния полимербетонного слоя усиления монолитного бетонного аэродромного покрытия при воздействии нагрузки и экспериментальная установка, моделирующая многоколесную опору воздушного судна;

- результаты моделирования и экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния монолитных бетонных аэродромных покрытий с полимербетонным слоем усиления;

- аналитическая зависимость максимальных растягивающих напряжений на нижней границе бетонного покрытия от физико-механических свойств бетона и полимербетонного слоя усиления, а также их толщины;

- аналитические зависимости влияния температуры полимербетонного слоя усиления на напряженно-деформированное состояние покрытия.

Достоверность полученных результатов, научных положений, выводов и рекомендаций, приведенных в работе, подтверждается объемом теоретических, лабораторных и опытно-экспериментальных исследований, выполненных в результате изучения явлений и процессов, лежащих в основе предлагаемого решения, с использованием современных методов и приборов, позволяющих провести эксперименты с допустимой погрешностью.

Методы исследований. Работа выполнена с использованием комплексных методов исследований, включающих: патентно-информационный анализ; стандартные методики определения физико-механических свойств получаемых покрытий; методы математического и физического моделирования. Использованы методы математической статистики и программные средства расчетов на ЭВМ.

Теоретическую основу исследования составили классические решения задач теории упругости методом конечных элементов, а также технические решения задач по расчету многослойных плит на упругом основании.

Практическое значение работы заключается в разработке математической модели напряженно-деформированного состояния покрытия с поли-мербетонным слоем усиления в условиях воздействия многоколесных опор воздушного судна.

Реализация результатов работы:

Результаты диссертационных исследований внедрены при реконструкции участка взлетно-посадочной полосы на аэродроме «Пушкин» Ленинградской области, а также используются в учебном процессе Воронежского

4'

ВАИИ.

Работа выполнена в Воронежском ВАИИ и является составной частью заказных научно-исследовательских работ №30018 шифр «Композиция» и №30302 шифр «Слой-1».

Личное участие автора состоит в разработке: методик проведения экспериментальных и численных исследований, аналитической модели влияния коэффициента Пуассона полимербетона на максимальное растягивающее напряжение в нижней зоне покрытия, нагружающего устройства имитирующего шасси воздушного судна, а также в обработке и анализе опытных данных.

Апробация работы. Основные положения, научные и экспериментальные результаты докладывались и обсуждались на следующих конференциях, семинарах и совещаниях: Международной научно-технической конференции «Эффективные строительные конструкции: теория и практика» (Пенза, 2002); Международной научно-технической конференции «Композиционные строительные материалы. Теория и практика» (Пенза, 2002); II Международной научно-технической конференции «Материалы и технологии XXI века» (Пенза, 2004); Юбилейной Международной научно-технической конференции посвященной 90-летию со дня рождения профессора И.А. Иванова «Композиционные строительные материалы. Теория и практика» (Пенза, 20,04); Всероссийской научной конференции «Совершенствование наземного обеспечения авиации» (Воронеж, 2002); Всероссийской научно-практической конференции «Совершенствование наземного обеспечения авиации» (Воронеж, 2003); XVIII Российская школа по проблемам науки и технологий, посвященная 80-летию со дня рождения академика В.П. Макеева. (Екатеринбург: РАН, 2004); 56 научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава ВГАСУ (Воронеж, 2002).

По материалам исследований опубликовано 12 научных статей общим объемом 41 с. Из них лично автору принадлежит 34 с.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов и библиографического списка литературы из 115 наименований. Диссертация изложена на 158 страницах машинописного текста и содержит 43 рисунка, 7 таблиц и 3 приложения.

Заключение диссертации по теме «Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей», Внуков, Дмитрий Николаевич

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработана математическая модель (8) напряженнодеформированного состояния полимербетонного слоя усиления монолитных бетонных аэродромных покрытий в условиях воздействия многоколесных опор воздушного судна, позволяющая учитывать влияние' коэффициента Пуассона полимербетона и толщину слоя усиления.

2. Разработано и создано нагружающее устройство, моделирующее многоколесную опору воздушного судна, позволяющее уточнить методику исследования напряженно-деформированного состояния полимербетонных слоев усиления монолитных бетонных аэродромных покрытий.

3. Установлена зависимость коэффициента Пуассона полимербетона от * изменения диаметра отпечатка колеса воздушного судна, позволяющая определять характеристики полимербетонного слоя усиления.

4. Определено влияние толщины полимербетонного слоя усиления на характер изменения напряжений в плите аэродромного покрытия, что позволило прогнозировать нормальные и касательные напряжения в бетоне.

5. Получена аналитическая зависимость (6) максимальных растягивающих напряжений на нижней границе бетонного покрытия со слоем усиления, от физико-механических свойств полимербетонного слоя усиления, его толщины и температуры.

6. Установлено, что при использовании полимербетонного слоя усиления с коэффициентом Пуассона меньшим, чем у бетона, касательные напряжения в слое усиления изменяются по квадратичному закону, а с, при использовании полимербетона с большим коэффициентом

Пуассона - изменение близко к линейному закону.

Установлено влияние изменения температуры полимербетонного слоя усиления на напряженно-деформированное состояние покрытия. Повышение температуры полимербетона на 10 °С эквивалентно увеличению коэффициента Пуассона полимербетона на величину 0,015.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Внуков, Дмитрий Николаевич, 2004 год

1. Ахвердов И.Н. Основы физики бетона / ИЛ I. Ахвердов. М.: Стройиздат, 1981.-464 с.

2. Баженов Ю.М. Бетонополимеры / Ю.М. Баженов. М.: Стройиздат, 1983.-472 с.

3. Баженов Ю.М. Бетонополимеры / Ю.М. Баженов. М.: Стройиздат, 1986.-345 с.

4. Безелянский В.Б. Решение задачи определения напряжений и деформаций в жестких многослойных аэродромных покрытиях: Дисс. кандидата технических наук / В.Б. Безеленский М.: МАДИ, 1984. -168 с.

5. Варвак П.М. Метод конечных элементов/ П.М. Варвак. Киев: Вища школа, 1981. - 176 с.

6. Виноградов Л.П. Оценка эксплуатационно-технического состояния цементобетонных покрытий аэродромов / А.П. Виноградов // Труды ГосНИИГА, Вып. 237. М.: 1984. - С. 11 - 13.

7. Внуков Д.Н. Определение напряженно-деформированного состояния аэродромных плит при движении судов / Д.Н. Внуков // Материалы и технологии XXI века: Сборник статей II научно-технической конференции. Пенза: ПДЗ, 2004. - С. 168 - 169.

8. Внуков Д.Н. К вопросу формирования расчетных схем при использовании программного комплекса Scad / Д.Н. Внуков // Материалы и технологии XXI века: Сборник статей II научно-технической конференции. Пенза: ПДЗ, 2004. - С. 182 - 183.

9. Внуков Д.Н. Воздействие обычных средств поражения на полимербе-тонные слои усиления / Д.Н. Внуков, В.В. Волков, Д.Е. Барабаш / Депонированная рукопись ЦВНИ МО РФ, инв. № Б5525. Серия Б. Выпуск 68. М.: ЦВНИ МО РФ, 2004. - 3 с.

10. Внуков Д.Н. Технология ремонта бетонного покрытия разрушенного обычными средствами поражения полимербетоном / Д.Н. Внуков, В.В. Волков, Д.Е. Барабаш / Депонированная рукопись ЦВНИ МО РФ, инв. № Б5527. Серия Б. Выпуск 68. М.: ЦВНИ МО РФ, 2004. -Зс.

11. Воробьев В.Л. Применение физико-математических методов в исследовании свойств бетона / В.Л. Воробьев. М.: Высшая школа, 1977. -271 с.

12. Глушков Г.И. Расчет аэродромных покрытий с учетом остаточных деформаций основания / Г.И. Глушков // Тр. МАДИ. Вып. 57. М.: МАДИ, 1974.-С. 25-33.

13. Глушков Г.И. Жесткие покрытия аэродромов и автомобильных дорог. / Г.И. Глушков, В.Ф. Бабков, В.Е. Тригони и др. // Под ред. Г.И. Глушкова. М.: Транспорт, 1994. - 349 с.

14. ГОСТ 18105-86. Бетоны. Правила контроля прочности. М.: Изд-во стандартов, 1986. - 10 с.

15. ГОСТ 29167-91. Бетоны. Методы определения характеристик трещи-ностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении. -М.: Изд-во стандартов, 1993. — 30 с.

16. ГОСТ 12730.2-78. Бетоны. Методы определения плотности. Введ. с0101.80. М.: Изд-во стандартов 1978. - 4 с.

17. ГОСТ 13087-81. Бетоны. Методы определения истираемости. Введ. с 01.01.82 М.: Изд-во стандартов, 1981. - 10 с.

18. ГОСТ 18105-86. Рекомендации по статистическим методам контроля и оценки прочности бетона с учетом его однородности. М.: Изд-во стандартов, 1986. - 20 с.

19. ГОСТ 10180-90. Методы определения прочности по конструкционным образцам. М.: Изд-во стандартов, 1990. - 45 с.

20. ГОСТ 22690-88. Бетоны. Определение прочности механическими методами неразрушающего контроля. М.: Изд-во стандартов, 1988.

21. Горбунов-Посадов Н.И. Расчет конструкций на упругом основании / Н.И. Горбунов-Посадов. М.: Госстройиздат, 1953. - 250 с.

22. Горбунов-Посадов М.И. Расчет конструкций на упругом основании / М.И. Горбунов-Посадов, Т.А. Маликова, В.И. Соломин. М.: Строй-издат, 1984.-680 с.

23. Горецкий Л.И. Поверхностные разрушения цементно-бетонных аэродромных покрытий и способы их ремонта / Л.И. Горецкий, А.В Афонский. М.: Редакционно-издательский отдел Аэрофлота, 1958. -86 с.

24. Горецкий Л.И. Бетонные покрытия на аэродромах / Л.И. Горецкий. — М.: Воениздат, 1950. 200 с.

25. Горецкий Л.И. Теория и расчет цементно-бетонных покрытий на температурные воздействия / Л.И. Горецкий. М.: Транспорт, 1965. — 284 с.

26. Городецкий A.C. Метод конечных элементов в проектировании транспортных сооружений / A.C. Городецкий, В.И. Заворицкий, А.И. Лантух-Лященко, А.О. Рассказов. -М.: Транспорт, 1981. 143 с.

27. Дашевский Э.М. Ремонт искусственных аэродромных покрытий / Э.М. Дашевский, А.П. Парфенов. М.: Транспорт, 1969. - 190 с.43