CC BY
72
АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД НЕЖЕСТКОГО ТИПА
В.В. САВЕЛЬЕВ, МарГТУ, канд. техн. наук
Дорожная одежда является наиболее дорогим элементом автомобильной дороги и определяет ее транспортно-эксплуатационные качества. Стоимость дорожной одежды в зависимости от типа и конструкции составляет от 40 до 90 % стоимости дороги. По данным за 1980-1996 гг. транспортно-эксплуатационное состояние сети автомобильных дорог России характеризуется следующими цифрами: недостаточная прочность составляет 45 %, недостаточная ровность - 20 %, недоремонт -60 % протяженности дорог.
Для снижения стоимости дорожной одежды и увеличения ее прочности и ровности необходимо совершенствовать методы проектирования, обосновывать осевые нагрузки автотранспортных средств, применять технико-экономическое сравнение вариантов, разрабатывать и применять программы и системы автоматизированного проектирования и т.д.
Отраслевые дорожные нормы ОДН 218.046-01 [3], введенные в действие в 2001 г. взамен ВСН 46-83 [1], содержат указания по конструированию и расчету нежестких дорожных одежд автомобильных дорог общей сети. Следует отметить, что указания
ВСН 46-83 распространялись также и на дорожные одежды лесовозных автомобильных дорог. Указания ОДН 218.046-01 по конструированию и расчету дорожных одежд на прочность незначительно отличаются от положений ВСН 46-83. Методика проверки дорожной конструкции на морозоустойчивость, приведенная в ОДН 218.046-01, претерпела значительные изменения. При расчете параметров подвижной нагрузки введено понятие - суммарное расчетное число приложений расчетной нагрузки к точке на поверхности конструкции за срок службы ^Ыр, позволяющее учесть реологические
свойства глинистых и песчаных грунтов при назначении их сдвиговых характеристик (сцепления с, МПа, и угла внутреннего трения р, град.).
Величина Ыр приведенной интенсивности воздействия подвижной нагрузки определяется по известной формуле
N = /т . (1)
я=1
Особенностью ОДН 218.046-01 являются упрощения при определении суммарного коэффициента приведения 8Ясум (табл.
100
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2005
П. 1.3 [3]) и учете влияния колес смежных осей транспортного средства на расчетные значения нагрузок.
Номинальная динамическая нагрузка Qдn на каждую ось многоосных автотранспортных средств (АТС) определяется по формуле (П.1.3) [3]
Qn = ктк^п. (2)
Влияние колес других осей многоосного автотранспортного средства, имеющего двухосные или трехосные тележки, рекомендуется учитывать коэффициентом Кс, вычисляемым по формуле (П.1.4) [3]
Кп = а - а^Ат - п , (3)
где Бт - расстояние между крайними осями автотранспортного средства; а, в, с - параметры, определяемые в зависимости от капитальности дорожной одежды и числа осей тележки по таблице П.1.2 [3].
По указаниям ВСН 46-83 динамическая (эквивалентная) нагрузка на оси многоосных АТС определяется по формуле 1 прил. 1 [1]
Qn = кткек^п, (4)
где КЯ, К - коэффициенты, учитывающие влияние колес рассматриваемой оси и других осей АТС и определяемые по формулам (1) и (2) прил.1 [1]
Кя = Я-1 + 1 + Яп+г; (5)
Кч = + 1 + (6)
где яп-1, яп+1 - коэффициенты, характеризующие соответственно влияние впереди и сзади идущих колес движущегося транспортного средства на напряженно-деформированное состояние дорожной одежды под рассматриваемым колесом п-ой оси и определяемые по графику [1] в зависимости от отношения расстояния Ь между осями к диаметру следа данного колеса;
Ч]-1, Ч;+1 - коэффициенты, характеризующие дополнительное воздействие других колес данной п-й оси и определяемые по графику [1] в зависимости от отношения расстояния I меж-
ду центрами отпечатков рассматриваемого колеса и других колес (в поперечном направлении) к диаметру Dd следа заданного колеса. Коэффициенты gn-1 и gn+1 определяются по формулам, смоделированным по данным графика на рис. 2 прил. 1 [1], для транспортных средств группы А
g.+i =-0,5442 (L/Da Г251 + + exp [- 0,2287 (L/Da )1,1689 ]+ 0,248 ; (7) g„-i = (L/Da )0 0828 + exp [- 0,1623(L/Da )1,439 ]-1,2093. (8)
Коэффициенты q._l и qJ+l определяются по формулам, идентифицирующим данные графика на рис. 3 прил. 1 [1], для транспортных средств группы А
qj-Kj+1) = (L/Da )08833 exp[- 0,6816(L/Da )1,105 ]. (9)
Для проверки адекватности определения коэффициента SmM¡ по указаниям
ОДН 218.046-01 и ВСН 46-83 выполнены расчеты с применением разработанной ЭВМ-программы.
Из анализа данных табл. 1 видно, что назначение коэффициента SmMi по данным
табл. П.1.3 ОДН 218.046-01 в зависимости от грузоподъемности автомобилей приводит к завышенным или заниженным значениям. Методики ОДН и ВСН адекватны при определении значений Sm ш с помощью коэффициентов Ёй и Kg для двухосных автомобилей. Однако применение коэффициента Ёй для учета влияния смежных осей трехосных автомобилей приводит к заниженным значениям Smñó. . В табл. 2 прил. 1 ВСН 46-83 приведены также заниженные значения коэффициента Smfló. для некоторых марок автомобилей.
Таким образом, значения коэффициента SmM¡ рекомендуется определять по методике ВСН 46-83 с учетом влияния колес рассматриваемой оси и смежных осей автотранспортных средств. При этом учитываются реальные расстояния L между осями и диаметр Dd следа колес автотранспортных средств.
Таблица 1
Результаты определения значений коэффициента 8Я т
Суммарный коэффициент приведения 8Я ш , определенный
Марка по методике ОДН 218.046-01 по методике ВСН 46-83
автотранспортного средства по данным табл. П.1.3 (по грузоподъемности) с учетом коэффициента Кс по данным табл. 2 прил. 1 с учетом коэффициента Ке с учетом коэффициентов Кg и Ка
ЗИЛ-130-76 0,70 0,36 0,20 0,36 0.44
Урал-377Н 0,70 0,16 0,29 0,28 0,34
КамАЗ-5320 0,70 0,17 0,27 0,27 0,32
ЗИЛ-ММЗ-554М 0,70 0,38 0,15 0,38 0,47
КамАЗ-5511 1,25 0,54 1,05 0,90 1,07
КрАЗ-256Б1 1,25 1,61 3,48 3,01 3,93
ПАЗ-3201 0,20 0,03 0,03 0,03 0,04
ЛАЗ-695Н 0,70 0,31 0,29 0,31 0,37
ЛАЗ-699Н 0,70 0,41 0,40 0,41 0,48
МАЗ-509А 0,70 0,77 - 0,77 1,19
КрАЗ-255Л1 1,25 0,56 - 1,16 1,49
Примечание. Марки автотранспортных средств приняты для сравнения результатов расчета по данным табл. 2 прил. 1 ВСН 46-83
Последовательность расчета дорожной конструкции на прочность и морозоустойчивость приведена на рис. 1. На основании данной схемы и указаний ОДН 218.046-01 и ВСН 46-83 разработаны математические модели и алгоритмы [4], дополняющие математическое, программное и информационное обеспечения подсистемы автоматизированного проектирования дорожных одежд лесовозных автомобильных дорог. На базе математических моделей и алгоритмов автором разработаны ЭВМ-программы, позволяющие выполнить автоматизированное проектирование дорожных одежд нежесткого типа (рис. 2).
Определение осевых нагрузок лесовозных автопоездов в зависимости от поставленной задачи производится по двум направлениям:
1) при проектировании новых автомобильных дорог по данным справочника [2] для серийно выпускаемых автотранспортных средств или за счет решения вопросов формирования лесовозных автопоездов;
2) при удлинении, реконструкции или проведении поэтапного повышения прочности дорожных одежд существующих лесо-
возных дорог на основании статистических исследований фактического использования лесовозных автопоездов на вывозке различных лесоматериалов.
Применение разработанных алгоритмов для автоматизированного проектирования нежесткой дорожной одежды затруднено в связи с наличием значительного количества номограмм, графиков и таблиц. На основании структурно-параметрической идентификации получены математические модели по данным таблиц, номограмм и графиков [1, 3]. При моделировании применены математические модели биотехнического закона, а также полиномы третьей степени и выше.
Например, требуемые минимальные коэффициенты прочности (табл. 3.1 [3]) для расчета различных типов нежестких дорожных одежд по вышеприведенным критериям прочности описываются уравнениями вида
Ёи = а1 + а2 Ё1 + аъ Ё] + а4 Ё/, (10) где Ёа - требуемый минимальный коэффициент прочности; Ё. - заданная надежность; а1, а2, а3, а4 - коэффициенты уравнения Ёи = I (Ё,).
1 Входные данные:
Nдкз , Кд, Тсл , Кн , Ч, Nр, Г зп , Н зп , Тм, Тд< И уел , Суел , Мвтр
2 Расчет приведенной интенсивности движения Nр по методике
ОДН [3] и ВСН [1]
3 Расчет суммарного числа приложений расчетной нагрузки ^ N р
по методике [3]
4 Конструирование дорожной одежды
по вариантам и слоям при I = 1, псл (псл - число слоев)
Определение расчетной влажности Wр грунта земляного полотна по формуле (п.2.1) [3]
6
Определение характеристик грунта земляного полотна Егр , Фгр , сгр , Фст (прил. 2 [3])
7
Да
В дорожной одежде имеются слои из асфальтобетона?
8 Определение модулей упругости
слоев дорожной I-1 одежды Е^ (прил. 3 [3] и [1])
В одежде имеется слой из песчаных материалов?
10
Определение характеристик слоев из асфальтобетона Е,Яо, т,а (прил. 3 [3])
13
Расчет по условию сдвиго-устойчвости в грунте земляного полотна (п.п. 3.30-3.37 [3])
11
Расчет по условию сдвигоустойчивости в песчаном слое (п.п. 3.33-3.37 [3])
15
Одежда капитального или облегченного типа?
16 Расчет на сопротивление монолитных слоев усталостному разрушению (п.п. 3.38-3.43 [3])
17
Да)
Условия (3.9), (3.11),
(3.15) [3] выполнены?
18
19
1
_Г
1
Проверка дорожной конструкции на морозоустойчивость (п.п. 4.1-4.16 [3])
' 20
Дорожная конструкция морозоустойчива: ^пуч — ^ доп ?
21 Расчет толщины морозозащитного
слоя Ьмз (п.п. 4.8-4.13 [3])
\Нет
11 Определение 12 Расчет
характеристик конструкции
песчаного слоя: —► по допускаемому
Епес , фпес , спес , фст п упругому прогибу
табл. п.2.5, п.2.6 [3] (п.п. 3.24-3.29 [3])
ет
Изменение толщины конструктивных
слоев дорожной одежды
Нет
Рассмотрены все варианты дорожной конструкции?
23 Анализ результатов расчета по вариантам
дорожной конструкции
Рис. 1. Алгоритм расчета дорожных одежд нежесткого типа на прочность и морозоустойчивость
Рис. 2. Структура подсистемы автоматизированного проектирования дорожных одежд нежесткого типа
Данные других таблиц, номограмм и графиков ОДН 218.046-01 идентифицированы аналогичным образом математическими моделями вида (10), у = а1 ха2 ехр(- а3 х"4), у = а1 + а2 х"3 + а4 х"5 или их вариантов.
Номограмма для определения общего модуля упругости двухслойной системы Аш
(рис. 3.1 [3]), применяемая при расчете дорожной конструкции по допускаемому упругому прогибу, идентифицирована различными зависимостями, предложенными Б.И. Коганом, Е. Барбером, Б.А. Ильиным и др. Однако расчет дорожных одежд по допускаемому упругому прогибу с применением этих зависимостей приводят к заниженным или завышенным результатам, так как расхождение между расчетными значениями и данными номограммы в некоторых ее точках достигает 15 % и более.
Для увеличения точности расчетов номограмма (рис. 3.1 [3]) представлена в виде массива величин отношений А® /А1 в зависимости от значений
Н./Б = 0,0; 0,1; 0,2; ...;1,9; 2,0 и АКГ'Д = 0,0; 0,05; 0,1;...; 0,80; 0,85; 0,90.
Определение величины А( или толщины слоя Н. производится интерполяцией
данных массива по разработанному алгоритму с применением зависимостей
A(i) iE. = f (Ä(M4E.; h /D) или
tau / i J v tau / i > i f /
KD = f (Ad/ Ei; E,).
Для оценки влияния параметров расчетной нагрузки на конструкцию нежестких дорожных одежд переходного типа выполнены расчеты на прочность и морозоустойчивость с применением разработанного комплекса программ автоматизированного проектирования (табл. 2).
Анализ данных табл. 2 показывает, что толщина слоев дорожных одежд переходного типа зависит как от параметров расчетной нагрузки, так и от методики определения параметров подвижной нагрузки. Наибольшие значения толщины слоев дорожной одежды имеют место в случае определения значений Np и ^ Np по методике ВСН 46-83
с учетом дополнительного воздействия других колес n-й оси автотранспортных средств. Увеличение толщины слоев дорожной одежды происходит при приведении воздействия на дорожную конструкцию автотранспортных средств m-ой марки к расчетному автомобилю МАЗ-509А, расчетные параметры которого ниже соответствующих значений расчетного автомобиля группы Д .
Таблица 2
Результаты расчета дорожной одежды переходного типа на прочность
Расчетный автомобиль
Расчетные параметры МАЗ-509А группы А!
Методика расчета
ОДН ВСН (1) ВСН (2) ОДН ВСН (1) ВСН (2)
Приведенная интенсивность воздействия нагрузки Ыр 316,9 367,3 315,0 275,2 319,0 273,6
Суммарное число приложений расчетной нагрузки ^ Ыр 259693 299045 257239 225575 259758 223444
Требуемый общий модуль упругости Адд , МПа 183,9 190,0 183,5 177,9 183,9 177,5
Общий модуль упругости конструкции Ат , МПа 165,5 171,0 165,2 160,1 165,5 159,7
Толщина слоя одежды, см: - покрытие из щебеночной смеси (А1 = 300 МПа) 28 30 27 26 28 26
- основание из песка средней крупности (А2 = 120 МПа) 46 48 50 45 47 45
Примечание. Методика ВСН 46-83: учет дополнительного воздействия других колес п-й оси - ВСН (1); а без учета - ВСН (2)
Следовательно, определение значений Np и ^ Np следует выполнять по методике ВСН 46-83 с учетом дополнительного воздействия других колес п-й оси автотранспортных средств. Применение методики ОДН 218.046-01 для этих целей приводит к уменьшению толщины слоев дорожной одежды и снижению прочности дорожной конструкции. Прочность дорожной одежды в значительной степени зависит от правильности выбора расчетного автомобиля из состава систематически обращающихся автотранспортных средств по дороге с учетом перспективы изменения состава движения к концу межремонтного срока. Применение в качестве расчетной нагрузки расчетного автомобиля группы А1 приводит к снижению толщины слоев дорожной одежды.
Расчеты показывают, что на конструкцию дорожных одежд оказывают наибольшее влияние следующие факторы и параметры подвижной нагрузки:
1) расчетное автотранспортное средство (лесовозный автопоезд или автомобиль с наибольшими осевыми нагрузками и расчетный автомобиль группы А), определяющее расчетную динамическую нагрузку от колеса на покрытие;
2) методика определения приведенной интенсивности движения Np;
3) значения номинальных статических и динамических нагрузок на колеса всех осей автотранспортных средств в составе перспективного движения по дороге;
4) диаметр отпечатка Б и давление воздуха в шинах рв колес расчетного автомобиля и рассматриваемых автотранспортных средств.
Разработанные математические модели и алгоритмы можно применять в практических расчетах дорожных одежд нежесткого типа на прочность и морозоустойчивость при ручном расчете и автоматизированном проектировании [4].
Библиографический список
1. Инструкция по проектированию дорожных одежд нежесткого типа. ВСН 46-83. Министерство транспортного строительства СССР. - М.: Транспорт, 1985. - 157 с.
2. Краткий автомобильный справочник / А.Н. Пони-зовкин, Ю.И. Власко, М.Б. Ляшков и др. - М.: АО Трансконсалтинг, НИИАТ, 1994. - 779 с.
3. Проектирование нежестких дорожных одежд. ОДН 218.046-01. - М.: Государственная служба дорожного хозяйства Министерства транспорта РФ, 2001. - 145 с.
4. Савельев В.В. Проектирование дорожных одежд лесовозных автомобильных дорог: Учебное пособие / В.В. Савельев. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2004. - 180 с.
