from 01.01.2002 to 01.01.2019
Penza, Penza, Russian Federation
Penza, Penza, Russian Federation
The most important task facing the road economy of the Russian Federation today is a real increase in the service life of non-rigid road coverings with asphalt concrete pavement up to 24 years. Highways with such roadways form the basis of the Russian road network and account for up to 80% of the length of Federal roads and up to 70% of regional roads. Therefore, it is important to increase the service life of first of all non-rigid road coverings with asphalt concrete coverings that are subject to premature destruction of their road structures.
highways, road clothing, strength, vibration load, reliability
При проектировании нежестких дорожных одежд в соответствии с действующими нормативными документами [1], учитывается целый комплекс факторов снижения сроков их службы, обусловленных длительным воздействием на дорожные одежды постоянных во времени статистических нагрузок и процессов усталостного разрушения их материалов [2].
Однако, при расчете дорожных конструкций в число факторов воздействия на дорожную одежду не включается ее вибронагруженность, т.е. процесс возникновения свободных затухающих колебаний слоев дорожных одежд, развивающийся из-за ударно-импульсного воздействия движущихся по ним транспортных средств, при котором формируются их дополнительные динамические прогибы. Отсутствие при проектировании учета вибронагруженности нежестких дорожных одежд приводит к тому, что они изначально не обеспечиваются необходимыми прочностными свойствами [3].
В настоящее время изучением динамических свойств дорожных конструкций занимаются научно-исследовательские коллективы, в задачу которых входит определение с необходимой степенью точности их основных характеристик, таких как собственные частоты, собственные формы и соответствующие им коэффициенты демпфирования упругих колебаний данных конструкций. Определение этих характеристик является наиболее трудным этапом динамических исследований, требующим для каждого нового типа дорожных конструкций проведения обширных работ как теоретического, так и экспериментального характера.
Анализ натурных исследований процессов деформирования нежестких дорожных одежд в процессе воздействия на них транспортных средств позволил установить в дорожных одеждах характерные участки возникновения вибраций в виде их свободных затухающих колебаний с характерными для этих участков амплитудно-временными характеристиками. При этом, уровень данных колебаний оказался во многом зависимым от дефектов дорожного покрытия, которое, в свою очередь, оказалось причиной роста динамической нагрузки со стороны движущихся транспортных средств с одновременным увеличением вибрации дорожных одежд [5].
Таким образом, колебания всех слоев дорожных конструкций, включающих массу дорожной одежды и грунта земляного полотна, приходят в движение. Учитывая упругие свойства данных слоев дорожной одежды и земляного грунта, эти движения преобразовываются в колебательные, поэтому в процессе ударно-импульсного нагружения дорожной конструкции фиксируются их амплитудно-временные характеристики.
Выполнение исследований по установлению (на основании расчетов и материалов наблюдения) прямых связей между уровнем вибрационного нагружения конструкций дорожной одежды и темпов их разрушения на исследуемых участках автомобильных дорог связано с решением сложных технических задач и большими материальными затратами для успешного решения этих. Поэтому, выполнение исследований вынужденных колебаний дорожных конструкций при их периодических возмущениях требует дальнейшего совершенствования и экспериментального подтверждения.
В основе экспериментальных методов определения собственных частот, собственных форм и соответствующих им коэффициентов демпфирования лежат вибрационные исследования [6] реальных дорожных конструкций или их специальных конструктивно подобных макетов, представляющих собой почти точные уменьшенные копии этих объектов.
В настоящее время наметились два пути экспериментального определения основных динамических характеристик макетов дорожных конструкций: задание испытываемым макетам конструкции вынужденных колебаний с применением испытательных вибростендов, имеющихся в организациях дорожного хозяйства страны [7] и снятием их экспериментальных характеристик, а также задание тем или иным способом свободных колебаний, исследуемым макетам конструкции [8] и их анализ с целью оценки динамических характеристик реальных дорожных конструкций.
Испытания макетов конструкций методом создания свободных колебаний проводятся при исследовании простых объектов с малым демпфированием, к которым и относятся дорожные конструкции. Вынужденные колебания чаще всего используются при испытаниях макетов сложных конструкций со средним и сильным демпфированием.
На данном временном этапе для отработки их динамических характеристик на макетах дорожных конструкций наибольшее распространение получили резонансные методы с гармонической и квазигармонической формами задания вибрации (с непрерывным изменением частоты) [8]. По сравнению с другими эти методы характеризуются более простой аппаратурной реализацией и более высоким быстродействием. При использовании данных методов искомые динамические характеристики дорожных конструкций могут быть получены путем анализа амплитудных, частотных и фазовых характеристик или резонансных кривых их макетов.
При моделировании колебаний на макетах дорожных конструкций следует учитывать, что каждый слой реальной дорожной конструкций представляет собой колебательную систему, обладающую собственной массой, жесткостью и силами трения, реализующими диссипацию данной конструкции [9]. При этом, с учетом требований ОДН 218.046-01, вычисление неизвестных величин колеблющихся масс слоев дорожных конструкций 
и их коэффициентов жесткости 
предполагается осуществлять с использованием следующих зависимостей [3]:
(1),
где − колеблющиеся массы слоев дорожной одежды, кг;
− плотность 
-го слоя, кг/м3;
− приведенный объем -го слоя, м3;
− толщина -го слоя, м;
− приведенная площадь, м2.
(2),
где − жесткость слоя дорожной одежды, кH/м;
− модуль упругости, МПа.
Фирмой AS Spacecom Департамента Эстонской Республики проведен анализ амплитудно-частотного спектра вибронагруженности конструкции дорожной одежды участка автомобильной дороги М-13, который позволил установить следующие пиковые значения частот дорожной одежды [3]:
− низкие частоты 0,8 - 1,3 - 2,5 - 5,0 Гц;
− средние частоты 8,0 - 12,5 -16,0 - 20,0 Гц;
− высокие частоты 31,5 - 50,0 Гц.
Сопоставление расчетно-теоретических значений масс и жесткости слоев на исследуемом участке автомобильной дороги и соответствующих им теоретическим частотам исследуемой дорожной конструкции с полученными экспериментальными параметрами позволяет сделать вывод о том, что:
• частоты 0,8 - 1,3 - 1,6 Гц − это частоты свободных колебаний дорожной одежды;
• частота 2,5 Гц близка к парциальной частоте грунта земляного полотна;
• частота 5,0 Гц соответствует парциальной частоте слоя песка;
• частоты 12,5 − 16,0 Гц относятся к частотам фракционированного щебня и щебня, пропитанного битумом;
• частоты 31,5 − 50,0 Гц соответствуют слоям из плотного и пористого асфальтобетона.
Растущая конструктивно-технологическая сложность стадий проектирования, этапов строительства и содержания автомобильных дорог в совокупности с одновременным повышением их надежности требуют при реализации рассмотренных методов испытаний макетов дорожных конструкций в стендовых условиях применения специальных испытательных систем, позволяющих наряду с расширением задач измерительной техники, осуществлять автоматическое, программное управление режимами проводимых испытаний [10].
В этом отношении большими возможностями располагают системы управления динамическими испытаниями с полигармоническим силовозбуждением, имитирующим случайный процесс и сочетающим в себе достоинства резонансных методов и методов испытаний на случайную вибрацию [6]. Создание подобных систем обуславливает необходимость разработки их отдельных элементов и устройств, в том числе и средств селекции амплитудной и фазовой информации гармонических и квазигармонических исследуемых сигналов.
Аппаратура для селекции частотных компонент выходных сигналов исследуемых макетов дорожных конструкций должна обладать рядом специфических особенностей по сравнению с широко распространенной аппаратурой для исследования других различных систем и, в зависимости от требований, предъявляемых к ней, должна осуществлять: либо преобразование сигналов в цифровую форму, либо детектирование, либо нахождение коэффициентов передачи, а в общем случае – изображающих функций, либо, наконец, измерение или запись преобразованных величин в виде резонансных кривых или амплитудных и фазовых частотных характеристик. Однако оснащенность организаций дорожной отрасли автоматизированными средствами преобразования, регистрации информации и управления ходом эксперимента при динамических испытаниях макетов дорожных конструкций не отвечает современным требованиям.
В условиях дефицита сложной и дорогостоящей аппаратуры перед предприятиями дорожной отрасли ставится задача разработки устройств преобразования информации с целью дальнейшего использования ее для регистрации и управления режимами проводимых испытаний, обладающих рациональной структурой, а также разработка методов оценки их метрологических характеристик на основе вероятностно-статистического подхода.
Общие качественные понятия и представления характеристик дорожных конструкций можно проанализировать с помощью колебаний простейших моделей механических систем при их динамических исследованиях методом свободных и вынужденных колебаний [6]. В качестве таких простейших моделей следует начать рассмотрение линейной и нелинейной консервативных систем с колебаний пружинного или математического маятника (рис. 1) [10].
Из формулы (24) следует, что чем больше добротность колебательной системы, тем меньше декремент затухания. Чем меньше декремент затухания, тем меньше теряется энергии с каждым колебанием и тем больше колебаний совершит система перед остановкой.
Затуханием колебаний называется постепенное уменьшение амплитуды колебаний с течением времени, обусловленное потерей энергии колебательной системой.
Собственные колебания без затухания – это идеализация. Причины затухания могут быть разные. В механической системе к затуханию колебаний приводит наличие трения. В электромагнитном контуре к уменьшению энергии колебаний приводят тепловые потери в проводниках, образующих систему. Когда израсходуется вся энергия, запасенная в колебательной системе, колебания прекратятся. Поэтому амплитуда затухающих колебаний уменьшается, пока не станет равной нулю.
Затухающие колебания, как и собственные, в системах, разных по своей природе, можно рассматривать с единой точки зрения – общих признаков. Однако, такие характеристики, как амплитуда и период, требуют переопределения, а другие − дополнения и уточнения по сравнению с такими же признаками для собственных незатухающих колебаний. Общие признаки и понятия затухающих колебаний следующие:
− дифференциальное уравнение должно быть получено с учетом убывания в процессе колебаний колебательной энергии;
− уравнение колебаний – решение дифференциального уравнения;
− амплитуда затухающих колебаний зависит от времени;
− частота и период зависят от степени затухания колебаний;
− фаза и начальная фаза имеют тот же смысл, что и для незатухающих колебаний.
Реальные конструкции современных автомобильных дорог являются нелинейными системами, в которых один или все их коэффициенты зависят от перемещений грунтовых масс их дорожных конструкций. Нелинейности систем дорожных конструкций являются следствием нарушения закона Гука, связанного с наличием в этих конструкциях дефектов, обусловленных ошибками в проектной документации, нарушением технологических процессов строительства и содержания автомобильных дорог, а также применением на этапах их жизненного цикла некондиционных дорожно-строительных материалов.
Таким образом, изложенный выше подход расчета параметров вибронагруженности, т.е. процесса возникновения свободных затухающих колебаний слоев дорожных одежд, развивающийся из-за ударно-импульсного воздействия движущихся по ним транспортных средств на стадиях проектирования автомобильных дорог, наряду с учетом усталостных повреждений в материалах покрытий дорожных одежд, будет способствовать успешному решению задачи обеспечения необходимых прочностных показателей дорожных конструкций от их преждевременного разрушения.
При этом, отмеченная выше сложность и высокие материальные затраты по выполнению исследований вибрационного нагружения реальных конструкций дорожной одежды могут быть существенно уменьшены за счет перехода к выполнению данных исследований на эквивалентных макетных образцах реальных конструкций дорожной одежды при динамических испытаниях этих макетов методом свободных колебаний, с помощью специальных испытательных вибростендов с требуемым для этих целей частотным диапазоном 0,8–50 Гц, скоростью сканирования частоты возбуждения дорожной одежды в пределах 2–3 октав в минуту при линейном законе ее изменения и величинами вибросмещений, а также виброускорений в пределах от 0,01 до 1мм и от 0,5 до 1q.
1. ODN 218.046-01 Proektirovanie nezhestkih dorozhnyh odezhd // - Moskva: FGUP «Soyuzdornii». 2017. - 134 s.
2. Artamonov D.V. Matematicheskie modeli volnovoy dinamiki avtomobil'nyh dorog / D. V. Artamonov // Izvestiya vysshih uchebnyh zavedeniy. Povolzhskiy region. Tehnicheskie nauki. - 2010. - № 3 (15). - S. 135-141.
3. Osinovskaya V.A. Razrabotka teorii vibracionnogo razrusheniya nezhestkih dorozhnyh odezhd i putey povysheniy ih dolgovechnosti / V.A. Osinovskaya Avtoreferat dissertacii na soiskanie stepeni doktora tehnicheskih nauk - Moskva: MADI 2011, S. 1-43.
4. Osinovskaya V.A. Vliyanie vibracii nezhestkih dorozhnyh odezhd na ih prochnost' proektirovaniya / V.A. Osinovskaya Internet-zhurnal «Naukovedenie». - № 5 (24). - 2014. - S. 1-15.
5. Osinovskaya V.A. Vibracionnoe nagruzhenie nezhestkih dorozhnyh odezhd / V.A. Osinovskaya Nauchnyy vestnik Voronezhskogo GASU Stroitel'stvo i arhitektura. - №1 (33). - 2014. - S. 1-15.
6. Abramovich S.V. Issledovanie ustoychivosti sistem avtomaticheskogo upravleniya monogarmonicheskimi vibroispytaniyami. K.: AN USSR. In-t kibernetiki. Sekciya "Tehn. kibernetika", 1972. - 34 s.
7. Chelomey V.N. Kolebaniya lineynyh sistem T. 1. / Pod red. V. V. Bolotina. - Moskva: Mashinostroenie, 1978, 1978. - 352 s
8. Spravochnye materialy dlya konstruktorov po dinamike. T3. / Red. kollegiya: d-r tehn. nauk A. G. Pilyutik (otv. red.) i dr. T. 3: Dinamicheskaya shema. Uchet uprugih deformaciy. Kn. 2. Uravneniya vozmuschennogo dvizheniya. Teoreticheskie metody opredeleniya koefficientov. - GONTI № 1,1969. - 159 s.
9. Teodorchik K.F. Avtokolebatel'nye sistemy. M - L.: Gosizdat, 1952. - 272 s.
10. Krendell S. Sluchaynye kolebaniya. - Moskva: Mir, 1967. - 356 s.
11. Galkin A.F. Lekcii po fizike. V 4 ch. Ch. 4. Kolebaniya, volny, optika / A. F. Galkin; Vladim. gos. un-t. - Vladimir: Izd-vo Vladim. gos. un-ta, 2007. - 100 s.
12. Timoshenko S.P. Kolebaniya v inzhenernom dele / S.P. Timoshenko, D.H.Yang, U.Uiver. - Moskva: Mashinostroenie, 1985. - 472 s.
