Внуков Дмитрий Николаевич. Проектирование полимербетонных слоев усиления монолитных бетонных аэродромных покрытий

brief description

Внуков Дмитрий Николаевич. Проектирование полимербетонных слоев усиления монолитных бетонных аэродромных покрытий : Дис. ... канд. техн. наук : 05.23.11 : Воронеж, 2004 158 c. РГБ ОД, 61:05-5/1477

Государственное образовательное учреждение высшего
профессионального образования
ВОРОНЕЖСКИЙ ВОЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ
ИНЖЕНЕРНЫЙ ИНСТИТУТ
На правах рукописи
ВНУКОВ ДМИТРИЙ НИКОЛАЕВИЧ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПОЛИМЕРБЕТОННЫХ СЛОЕВ УСИЛЕНИЯ
I
МОНОЛИТНЫХ БЕТОННЫХ АЭРОДРОМНЫХ ПОКРЫТИЙ
Специальность 05.23.11
Проектирование и строительство дорог, метрополитенов,
аэродромов, мостов и транспортных тоннелей
Диссертация на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Научный руководитель: канд. физ.-мат. наук, доцент Волков Виталий Витальевич
Воронеж-2004
Содержание
Введение 5
Научно-технические задачи по эксплуатации аэродромных
покрытий 10
Обзор эксплуатационного состояния аэродромных покрытий 10 Анализ дефектов аэродромных покрытий требующих ре¬монта с использованием слоев усиления 17
Способы и материалы, применяемые при ремонте бетонных
покрытий 20
Преимущество использования полимербетонных слоев уси¬ления 28
Выводы по первой главе. Постановка цели и задач исследо¬вания 29
Моделирование полимербетонного слоя усиления методом
конечных элементов 31
Исследования напряженно-деформированного состояния
полимербетонных слоев усиления 31
Моделирование полимербетонного слоя усиления различной
толщины и состава 41
Напряженно-деформированное состояние плиты с полимер¬бетонным слоем усиления 3 см 44
Напряженно-деформированное состояние плиты с полимер¬бетонным слоем усиления 5 см 55
Напряженно-деформированное состояние плиты с полимер¬бетонным слоем усиления 8 см 66
Математическая модель напряженно-деформированного со¬стояния полимербетонного слоя усиления 77
Выводы по второй главе 85
Экспериментальные исследования напряженно-
з
деформированного состояния полимербетонных слоев уси¬ления 86
gt 3.1 Цельи программа экспериментальных исследований 86
3.2 Экспериментальная установка для исследований напряжен¬
но-деформированного состояния полимербетонных слоев усиления 88
3.2.1 Нагружающее устройство 88
3.2.2 Прибор для измерения прогибов покрытия 90
ф 3.2.3 Устройство для измерения усилий на границе полимербе¬тон-бетон 94
3.3 Методика экспериментальных исследований 97
3.4 Анализ результатов экспериментальных исследований на¬- пряженно-деформированного состояния полимербетонного
слоя усиления различной толщины и состава 105
^ Выводы по третьей главе 115
4 Теоретическая интерпретация полученных результатов 116
Выводы по четвертой главе 123
Основные выводы 124
Список использованных источников 126
Приложение А. Результаты численных исследований значе¬ний нормальных (сг) и касательных (г) напряжений 138
Приложение Б. Значения величин экспериментальных дан¬ных прогиба (со), нормальных (а) и касательных (г) напря¬жений учетом поправки 148
Приложение В. Акты внедрения 156

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы.
Взлетно-посадочная полоса, являющаяся важнейшим элементом аэро-дромного 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 со-стояние значительно ухудшилось. В условиях ограничения средств на строи-тельство новых покрытий, актуальным становится модернизация сущест¬вующих. В этой связи, приоритетными направлениями являются: разработка способов и методов повышения несущей способности покрытий, использо¬вание эффективных материалов, рациональное использование имеющейся материальной базы.
' Повышение несущей способности покрытия аэродромного комплекса является одной из задач проектирования слоев усиления, уменьшающих на¬пряжения в покрытии. Перспективным материалом, применяемым при опе¬ративном ремонте аэродромных покрытий, является полимербетон, обла¬дающий быстрым вводом отремонтированного покрытия в эксплуатацию.
При проектировании полимербетонных слоев усиления с использова¬нием существующих нормативных документов, обращает на себя внимание отсутствие математических моделей работы полимербетонных слоев усиле¬ния монолитного бетонного аэродромного покрытия, лежащего на искусст¬венном основании. Практика показывает, что использование полимербетонов различного состава приводит к неоднозначности физико-механических свойств усиленного покрытия. В связи с этим, разработана методология про¬ектирования полимербетонных слоев усиления монолитного бетонного аэро¬дромного покрытия, лежащего на искусственном основании, является акту¬альной задачей.
Работа выполнена в рамках научно-исследовательской работы “Слой- 1” по заказу Управления начальника строительства, инженерного обеспече¬ния и расквартирования Военно-Воздушных Сил Российской Федерации от
19.04.2 г.
Объектом исследований являются монолитные бетонные покрытия с полимербетонным слоем усиления, лежащие на упругом основании, в усло¬виях воздействия многоколесных опор воздушного судна.
Целью работы является проектирование полимербетонных слоев уси¬ления монолитных бетонных аэродромных покрытий достаточной толщины, при их реконструкции, на основе математической модели напряженно¬деформированного состояния слоя усиления аэродромного покрытия, в усло¬виях воздействия многоколесных опор воздушных судов, с учетом коэффи¬циента постели основания.
Задачи исследования:
- исследовать напряженно-деформированное состояние бетонных аэ-родромных покрытий и покрытий, усиленных полимербетонным сло¬ем 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 опреде¬лению напряженно-деформированного состояния покрытия с поли¬мербетонным слоем усиления;
- - разработать, на основе математического моделирования, условия при¬
менимости полимербетонных слоев усиления для определения их 
б
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 мо¬дель напряженно-деформированного состояния полимербетонного слоя усиления;
- установлено напряженно-деформированное состояние монолитного бетонного аэродромного покрытия с полимербетонным слоем усиле¬ния 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 аэродром¬ного покрытия при воздействии нагрузки и экспериментальная уста¬новка, моделирующая многоколесную опору воздушного судна;
- результаты моделирования и экспериментальных исследований на-пряженно-деформированного состояния монолитных бетонных аэро-дромных покрытий с полимербетонным слоем усиления;
- аналитическая зависимость максимальных растягивающих напряже¬ний на нижней границе бетонного покрытия от физико-механических свойств бетона и полимербетонного слоя усиления, а также их тол¬
щины; 
- 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 теоретиче¬ских, лабораторных и опытно-экспериментальных исследований, выполнен¬ных в результате изучения явлений и процессов, лежащих в основе предла¬гаемого решения, с использованием современных методов и приборов, по¬зволяющих провести эксперименты с допустимой погрешностью.
Методы исследований. Работа выполнена с использованием ком¬плексных методов исследований, включающих: патентно-информационный анализ; стандартные методики определения физико-механических свойств получаемых покрытий; методы математического и физического моделирова¬ния. Использованы методы математической статистики и программные сред¬ства 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 математи¬ческой 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 реконструк¬ции участка взлетно-посадочной полосы на аэродроме «Пушкин» Ленинград¬ской области, а также используются в учебном процессе Воронежского
4'
ВАМИ.
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 влия¬ния коэффициента Пуассона полимербетона на максимальное растягивающее напряжение в нижней зоне покрытия, нагружающего устройства имитирую¬щего шасси воздушного судна, а также в обработке и анализе опытных дан¬ных.
Апробации работы. Основные положения, научные и эксперимен- тадьные результаты докладывались и обсуждались на следующих конферен¬циях, семинарах и совещаниях: Международной научно-технической конфе¬ренции «Эффективные строительные конструкции: теория и практика» (Пен¬за, 2002); Международной научно-технической конференции «Композицион¬ные строительные материалы. Теория и практика» (Пенза, 2002); II Между¬народной научно-технической конференции «Материалы и технологии XXI века» (Пенза, 2004); Юбилейной Международной научно-технической кон¬ференции 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» (Воро¬неж, 2003); XVIII Российская школа по проблемам науки и технологий, по¬священная 80-летию со дня рождения академика В.П. Макеева. (Екатерин¬бург: 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 лите¬ратуры из 115 наименований. Диссертация изложена на 158 страницах маши¬нописного текста и содержит 43 рисунка, 7 таблиц и 3 приложения.

bibliography

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
^ 1. Разработана математическая модель (8) напряженно¬
деформированного 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.
7. 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.