На правах рукописи

ВИНОКУРОВА Татьяна Геннадьевна

Совершенствование методики расчета
и проектных решений сборных покрытий
есовозных автомобильных дорог

05.21.01 Технология и машины лесозаготовок

и лесного хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Петрозаводск 2007

Работа выполнена в государственном образовательном
учреждении высшего профессионального образования

ПЕТРОЗАВОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Защита состоится л____ _____________ 2007аг. в ____ часов на заседании диссертационного совета Д 212.190.03 при Петрозаводском государственном университете по адресу: 185910, г.аПетрозаводск, пр.аЛенина, 33.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Петрозаводского го-сударственного университета.

Автореферат разослан л___ ___________ 2007 г.

Ученый секретарь
диссертационного совета В.аВ.аПоляков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Вывозка древесины является важной фазой технологического процесса лесозаготовительного производства, объемы которой в значительной степени определяются наличием и состоянием лесных дорог круглогодового действия. Совершенствование лесовозных дорог является одной из важнейших задач. В Основных направлениях развития лесной промышленности, утвержденных распоряжением Правительства РФ от 1аноября 2002аг. №1540-р, констатируется, что к основным факторам, сдерживающим ее развитие, относится недостаточное количество лесных дорог круглогодового действия, что особенно осложняет вывозку древесины в весенне-летний период.

Зарубежный опыт показывает, что оптимальная для лесов Европейского Севера протяженность лесных дорог составляет примерно 20амет-
ров на 1агектар. По данным Федерального агентства лесного хозяйства РФ, в России на 1атыс. га леса приходится 1,2 км лесовозных дорог, однако строящиеся дороги редко бывают с твердым покрытием. Одним из возможных вариантов решения существующих проблем является применение сборных колейных покрытий из железобетонных плит. Данные покрытия применялись при строительстве лесовозных дорог в Архангельской, Вологодской, Ленинградской областях, республике Карелия. В случае использования сборных покрытий жесткость стыковых соединений должна быть достаточно большой, чтобы уменьшить величину взаимного смещения торцов плит при движении лесовозного автопо-
езда. Разработка надежного стыкового соединения железобетонных плит сборного покрытия представляет собой достаточно сложную проблему и, несмотря на работы предшественников, требует дальнейшего изучения.

Таким образом, актуальность темы исследования обусловлена необходимостью улучшения условий круглогодичной вывозки древесины путем совершенствования проектных решений сборных покрытий лесовозных дорог из железобетонных плит. Это решение невозможно без применения достаточно универсальных методик расчета в сочетании с современными информационными технологиями. Анализ публикаций показывает, что при исследовании сборных покрытий лесовозных автомобильных дорог не в полной мере используются возможности численных методов, прежде всего Ч метода конечных элементов. Поэтому, совершенствование методики расчета и разработка проектных решений колейных покрытий для улучшения условий круглогодичной вывозки древесины является актуальной проблемой и требует проведения в данной области дальнейших исследований.

Цель диссертационной работы. Повышение эффективности вывозки древесины по сборным колейным покрытиям лесовозных автомобильных дорог путем уменьшения взаимных смещений торцов плит при нагрузках от лесовозного автопоезда.

Объектом исследования является сборное колейное покрытие лесовозной автомобильной дороги, взаимодействующее с основанием зем-ляного полотна. Однако, в отличие от часто используемого предположения о том, что жесткость основания во всех точках контакта плиты
с основанием одна и та же, в данной работе учитывается, что материал основания неоднороден по площади контакта. Кроме этого модель объекта исследования усложняется и вследствие того, что при действии нагрузки на плиту возможен ее отрыв от основания. В зависимости от проектного решения жесткость стыков плит сборных покрытий лесовозных дорог также может быть различной.

Предмет исследования. Вертикальные перемещения плит и систем плит колейного покрытия на основании переменной жесткости с определением требуемой толщины подстилающего слоя при различной податливости стыковых соединений.

Методы исследования. В работе использованы элементы теории конструкций на упругом основании и конструкций с односторонними связями, а также методы математического моделирования, реализованные в программных комплексах конечно-элементного анализа.

Научная новизна:

• Впервые предложено локальное усиление области основания под стыковыми соединениями плит колейного покрытия, что ведет
  к уменьшению взаимных смещений торцов плит при движении лесовозного автопоезда и, как следствие, к увеличению его скорости.
• Разработана с использованием возможностей программного комп-лекса конечно-элементного анализа методика расчета сборных колейных покрытий лесовозных автомобильных дорог с учетом жесткости стыковых соединений плит, возможного их отрыва и переменной жесткости основания.
• Исследовано влияние размеров и жесткости локального усиления основания и жесткости стыковых соединений на взаимные смещения торцов плит при технологических нагрузках от лесовозного автопоезда.
• Установлены закономерности влияния податливости стыкового соединения и переменной жесткости основания на толщину и материал подстилающего слоя для колейных покрытий лесовозных автомобильных дорог.

Научные положения, выносимые на защиту:

• Результаты анализа исходной информации и расчетных схем взаимодействия плиты (системы плит) колейного покрытия с основанием земляного полотна.
• Методика и результаты расчета сборных колейных покрытий лесовозных автомобильных дорог с учетом жесткости стыковых соединений плит, возможного их отрыва и переменной жесткости основания.
• Результаты исследования влияния жесткости сварных стыковых соединений на толщину и модуль упругости материала подстилающего слоя колейного покрытия.
• Выводы и рекомендации по практическому использованию результатов исследования с целью улучшения работы колейных покрытий из железобетонных плит.

Достоверность результатов исследования подтверждена данными известных экспериментальных исследований и обусловлена корректным применением численных методов механики твердого деформируемого тела и математического моделирования, реализованных в программных комплексах конечно-элементного анализа.

Практическая значимость. Использование предлагаемой методики позволяет научно обосновывать размеры и материал локального укрепления грунта под стыковыми соединениями, жесткость стыков, требуемую толщину и модуль упругости материала подстилающего слоя колейных покрытий. Методика зарегистрирована в Отраслевом фонде ал-горитмов и программ (ОФАП) Государственного координационного цент-ра информационных технологий (свидетельство №а6859 от 18.09.2006).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены на: ХХV Российской школе по проблемам науки
и технологий (Миасс, 2005); международной конференции Новые технологии и устойчивое управление в лесах Северной Европы (Петрозаводск, 2005); Республиканской научно-практической конференции Струк-турная перестройка лесного комплекса в республике Карелия (Петрозаводск, 2006); международной конференции Новые информационные технологии в целлюлозно-бумажной промышленности и энергетике (Петрозаводск, 2006); VII Всероссийском симпозиуме по прикладной
и промышленной математике (Кисловодск, 2006 г.); семинаре лесоинженерного факультета ПетрГУ (2006).

Публикации. Материалы диссертации отражены в семи работах, из них одна статья и тезисы одного доклада опубликованы в двух журналах, указанных в перечне ВАК (п.а2 и 3 в списке публикаций). Две работы выполнены в соавторстве, вклад соискателя составляет 30 %.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пя-
ти глав, основных выводов по работе и рекомендаций, 5априложений, списка использованной литературы из 122анаименований. Общий объем работы 157астраниц машинописного текста, в том числе 44арисунка, 10атаблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, научные положения, выносимые на защиту, отмечена теоретическая и практическая значимость, научная новизна работы.

В первом разделе проанализированы работы по теме исследования. Совершенствование конструкций железобетонных плит, технических решений оснований и покрытий лесовозных дорог различных типов постоянно находятся в центре внимания многих авторов. Теоретические основы расчета плит на упругом основании разрабатывали А.аНа Крылов, Б.аГ.аКоренев, М.аИ.аГорбунов-Посадов, Н.аМ.аГерсеванов, Б.аН.аЖе-мочкин, И.аА.аСимвулиди и другие авторы. Изучению работы плит, стыковых соединений и оснований в покрытиях лесовозных автомобильных дорог посвящены работы Б.аН.аИльина, Б.аИ.аКувалдина, В.аК.аКу-рьянова, Э.аО.аСалминена, А.аН.аКочанова. Вклад в эту область исследований внесли также Б.аВ.аУваров, Л.аВ.аПетровский, Б.аН.аСмирнов, Н.аБ.аВасильев, В.аА.аСавельев, Д.аН.аАфоничев, В.аС.аМорозов, Н.аН.аПуш-каренко, А.аВ.аСкрыпников, О.аН.аБурмистрова и другие авторы.

Устойчивый интерес исследователей к этим вопросам обусловлен как их актуальностью, так и необходимостью повышения технико-эко-номических показателей вывозки древесины по лесовозным автомобильным дорогам.

Наличие связи между плитами значительно уменьшает величину отрицательного изгибающего момента, а при перемещении колеса автомобиля от шарнирно соединенной плиты к ее середине максимальные положительные изгибающие моменты смещаются к краю плиты, что исключает возможность возникновения максимальных знакопеременных напряжений в одном и том же сечении.

Таким образом, стыковые соединения облегчают условия работы плит в колейном покрытии. Однако известные методики расчета основаны на предположении о том, что под действием нагрузки от лесовозного автопоезда отрыва плиты от основания не происходит, а само основание имеет постоянную жесткость по всей площади контакта с плитой. Такие упрощения ограничивают возможности совершенствования сборных покрытий лесовозных автодорог. Вместе с тем, стыковые соединения плит, в зависимости от их конструктивного решения, могут быть различны, что не учитывается в ранее выполненных работах.

По мере компьютеризации развитие методов расчета конструкций на упругом основании осуществляется в направлении все большего применения численных методов. В настоящее время при разработке проектных решений используют стандартные программы конечно-элементного расчета. С появлением этих программ, как основание, так и опирающуюся на него конструкцию стало возможным представлять в виде конечно-элементных моделей, упрощая при этом методики расчета и делая их более универсальными, позволяющими, в частности, учесть вариации как податливости стыковых соединений плит, так и жесткости основания.

Задачи исследования:

1.аРазработать с использованием возможностей программного комплекса конечно-элементного анализа методику расчета сборных колейных покрытий лесовозных автомобильных дорог с учетом жесткости стыковых соединений и переменной жесткости основания.

2.аИсследовать влияние размеров и жесткости локального усиления основания под стыковыми соединениями и жесткости стыковых соединений на взаимные смещения торцов плит при технологических нагрузках от лесовозного автопоезда.

3.аИсследовать закономерности влияния податливости стыкового соединения и переменной жесткости основания на толщину подстилающего слоя и область отрыва плит от основания колейных покрытий лесовозных автомобильных дорог.

4.аОпределить экономическую эффективность применения плит колейных покрытий с более жесткими стыковыми соединениями на основании переменной жесткости при строительстве магистральных лесовозных дорог.

Второй раздел посвящен построению расчетной модели взаимодействия плиты (системы плит) с основанием земляного полотна при действии подвижной нагрузки с учетом податливости стыковых соединений и переменной жесткости основания.

Грунтовое основание, на которое опирается плита, сопротивляется только надавливанию и не препятствует перемещениям точек плиты в противоположном направлении. При воздействии подвижной нагрузки различные участки дорожного покрытия получают неодинаковые деформации (на участках, примыкающих к швам, деформации больше, чем в средней части плит). Вследствие этого, давление, передаваемое на основание, также неодинаково. Неравномерное накопление остаточных деформаций основания может привести к образованию в отдельных зонах покрытия зазоров между плитой покрытия и основанием, т.ае. к изменению расчетной схемы. Область контакта оказывается неизвестной. Это приводит к необходимости применения метода последовательных приближений, что сопряжено с большим объемом вычислений.

Метод конечных элементов позволяет выполнить расчет системы плит на упругом основании. Однако в инструкциях по использованию программ, реализующих метод конечных элементов, отсутствуют указания по расчету плит и систем плит при неполном контакте их с основанием.