2308

Площадь, очерченная кривой скоростей колебаний, составляет ординату перемещении. Экспериментальные результаты были получены для каждого шага скоростей движения автомобилей. Формирование в дорожной одежде поверхностных волн, вызванных колесной автомобильной нагрузкой, представлено на рис. 8.10, б, г. Для дорожных одежд нежесткого типа (II тип) отчетливо проявляется влияние неровностей покрытия на интенсивность ударных поверхностных волн (см. рис. 8.10, б). Амплитуда скоростей колебаний ударной поверхностной волны здесь составляет 5–10 % от амплитуды основной изгибной волны, вызванной воздействием прокатывающегося колеса автомобиля.

Следует отметить, что амплитуда изгибной волны скорости колебаний отдельных слоев нежесткой конструкции незначительно изменяется по глубине, оставаясь почти постоянной вплоть до грунта земляного полотна. Поверхностные волны, вызванные ударом колеса при проезде по неровностям, также незначительно затухают по глубине и имеют почти постоянную амплитуду скоростей колебаний в пределах всех слоев дорожной конструкции. Кроме того, за пределами поля распространения основных изгибных волн они создают дополнительное напряженное состояние дорожных одежд.

Эпюра колебаний поверхности покрытия дороги при проходе четырехосного экипажа (см. рис. 8.10, а) представляет собой суммарные амплитуды колебаний, вызванные импульсной нагрузкой от колеса, и ее постоянной части.

В наиболее явном виде волновой характер колебаний дорожных конструкций проявляется при воздействии движущейся автомобильной нагрузки на дорожную одежду «жесткого» III типа. Опытами зарегистрировано преобладающее влияние волнового процесса от импульсных нагрузок над «квазистатическим» изгибом жестких цементобетонных плит при обычных эксплуатационных скоростях (см. рис. 8.10). Причина заключается в нестационарных колебаниях движущегося автомобиля, встречающего на своем пути случайные неровности, а также в хорошей проводимости волн напряжений цементобетоном.

Эти обстоятельства приводят к тому, что спектр волн колебаний дорожной одежды такого типа имеет однородную структуру с частотой колебаний 15–22 в секунду при скорости движения автомобиля 60 км/ч. Частотная же характеристика спектра колебаний несущественно изменяется по толщине дорожной одежды. В земляном полотне под дорожной одеждой этого типа колебания не зарегистрированы из-за сильного демпфирования их грунтом. Характер изменения максимальных амплитуд колебаний дорожных одежд нежесткого и жесткого типов в зависимости от скорости автомобиля приведен на рис. 8.11.

Рис. 8.11. Изменение максимальных амплитуд колебаний поверхности дорожной конструкции I, II и III типов. Верхние кривые для каждого типа соответствуют нагрузке на колесо 40 кН, нижние – 20 кН

Наблюдается некоторое различие развития процессов колебаний в нежестких и жестких одеждах. В нежестких (типы I и II) при скорости движения автомобиля 50 км/ч максимальные амплитуды меньше в 1,5–6 раз, чем прогибы при скорости 10 км/ч (здесь термин максимальные амплитуды – сумма перемещений от изгиба слоев при горизонтальном перемещении нагрузки и от вертикального воздействия колеса на покрытие). В жестких одеждах (тип III) наблюдается рост максимальных амплитуд колебаний почти в два раза при том же изменении скорости движения автомобилей.

Затухание колебаний по толщине дорожных одежд I и III типов происходит плавно, что подтверждается соответственно данными рис. 8.12 и 8.13. Мощность активно колеблющейся массы дорожных одежд зависит от скорости движения автомобиля и составляет 0,9–1,05 м. Степень увеличения напряженного состояния отчетливо проявляется на рис. 8.14, где скорость колебаний конструкций возрастает в 3–5 раз при увеличении скорости движения автомобиля от 10 до 60 км/ч.

Рис. 8.12. Затухание колебаний в дорожной одежде I типа по глубине. Цифры на кривых – скорость автомобиля в км/ч. Давление на колесо 40 кН

Одновременно с изучением динамики одежд оценивали скорость распространения продольных волн колебаний в покрытиях дорожных одежд. Установлено, что при движении автомобилей со скоростью до 60 км/ч скорости распространения продольных волн колебаний сохраняют устойчивое значение в нежестких дорожных одеждах от 1110 до 1180 м/с (температура покрытий +20 °С). Жесткие дорожные одежды (III тип) обладают скоростью распространения волн колебаний в 1840–1920 м/с, т. е. почти в два раза большей. Таким образом, при взаимодействии движущихся автомобилей с дорожной одеждой в ней возникает динамическое напряженное состояние, переменное во времени и зависящее от скорости и веса автомобилей, жесткости и ровности дорожных одежд.

Общее динамическое напряженное состояние дорожных одежд состоит из суммы двух напряженных состояний. Первое, «квазистатическое», вызвано плавным, без отрыва перемещением колес автомобиля по поверхности покрытия. С увеличением скорости движения автомобиля доля напряжений и деформаций от этого вида воздействия уменьшается. Второе напряженное состояние – волновое – возникает при отрыве колес автомобиля от удара о поверхность неровных покрытий или при пульсации давлений от колес при колебании автомобиля. С увеличением скорости движения автомобилей доля напряженного состояния этого вида значительно возрастает, а колебания дорожных конструкций становятся доминирующим видом деформаций.

Рис. 8.13. Затухание колебаний в дорожной одежде III типа по глубине. Цифры на кривых – скорость автомобиля в км/ч.

Нагрузка на колесо 40 кН

Значительный интерес для динамики дорожных конструкций представляют результаты испытаний цементобетонных плит на различных основаниях методом ударного нагружения, полученные в ЧССР М. Слахтой. Длительность соударения падающего груза с поверхностью плиты соот-

ветствовала скорости движения автомобиля 50 км/ч, а прогибы поверхности регистрировали вибрографом сейсмического типа. Главный вывод из опытов М. Слахты – общее уравнение распространения прогибов поверхности U(x, t) во взаимосвязи с расстоянием от места удара х и временем распространения прогиба t:

здесь y0 – наибольший прогиб в месте нагружения, м; v0 – скорость распространения прогиба, м/с; х – расстояние до точки измеряемого прогиба U(x,t); t – время; ω – частота удара, с-1; δ – декремент затухания (≈ 0,02).

Рис. 8.14. Зависимость скорости колебания дорожных конструкций I, II и III типов от скорости движения автомобиля. Нагрузка на колесо 40 кН

8.3. Экспериментальные исследования динамических прогибов, скоростей и ускорений колебаний дорожных конструкций при воздействии скоростных колесных нагрузок

Адекватность, т.е. соответствие теоретической модели работы дорожных конструкций реальности, возможно установить лишь экспериментальным путем. Это соответствие производится путем сравнения критериев модели: динамического прогиба, скорости или ускорений с зарегистрированными на дороге. При этом будет наблюдаться расхождение величин, которое можно выразить в процентах. Однако придется всегда отвечать на вопрос: «Достаточно ли мало расхождение, чтобы считать его допустимым, а теоретическую модель динамической конструкцией работы адекватной?» Если полагать неоднородность деформативных свойств слоев дорожных и аэродромных конструкций (например, модуля упругости) в пределах 0,9–1,1 от среднего значения, наличие в конструкциях от 2 до 5 слоев и случайный характер одновременного проявления в одном сечении конструкций этих неоднородных свойств, то эксперименты по измерению динамического прогиба и его производных дадут обязательно отклонения, не большие, чем указано в табл. 8.2.

Таблица 8.2

Нормативные отклонения наблюдаемых прогибов конструкций от теоретических

Поэтому если результаты экспериментального определения деформативных характеристик дорог и аэродромов в форме прогиба, его скорости и ускорений укладываются в пределы таблицы, то их следует считать аде-

кватными.

В СибАДИ инж. В.Ф. Игнатовым произведены испытания дорожной конструкции на действие подвижной автомобильной нагрузки. Для регистрации ускорений колебаний был применен виброизмерительный комплекс MIC-026, включающий датчики виброускорений АР-50, усилители, контроллеры и программное обеспечение, позволяющее из зарегистрированных ускорений извлекать первообразные функции перемещений. Испытания конструкции дороги с асфальтобетонным покрытием в 19 см, щебеночным основанием в 25 см, песчаным слоем в 20 см на подстилающем

супесчаном грунте произведены при воздействии на неё легкового автомобиля массой 1,2 т и грузового массой 10,5 т и нагрузкой на колесо 39,5 кН при различных скоростях. Результаты испытаний указывают на функциональную зависимость прогибов и ускорений колебаний от величины нагрузки и скорости её движения (рис. 8.15, 8.16).

Рис. 8.15. Зависимость прогиба u и ускорений ü колебаний дорожной конструкции от скорости движения легкового автомобиля: – экспериментальные данные для u и ü.

Дорожная конструкция: асфальтобетон – 19 см; щебень – 25 см; песок – 20 см; грунт – супесь; температура – 8 ºС

Рис. 8.16. Зависимость прогиба u и ускорений ü колебаний дорожной конструкции от скорости движения грузового автомобиля: 1 – минимальный предел адекватности; 2 – максимальный предел адекватности;

– экспериментальные данные для u и ü. Дорожная конструкция: асфальтобетон – 19 см; щебень – 25 см;

песок – 20 см; грунт – супесь, температура – 8 ºС

Как видно из рисунков, для легкового и грузового автомобилей динамические прогибы конструкции, полученные экспериментально, в среднем возрастают до скорости 40 км/ч, а основная масса точек находится в области минимального и максимального пределов адекватности. Это обстоятельство подтверждает правомочность применения в расчетах НДС моделей:

1)упругого полупространства (см. рис. 3.3);

2)модели плиты на упругом инерционном полупространстве с убыванием его свойств по глубине (см. рис. 3.15).

По действующим методам проектирования, аэродромные покрытия рассчитывают как конструкции, лежащие на упругих основаниях. Расчет как жестких (из цементобетонов), так и нежестких покрытий (из асфальтовых бетонов) основан на статических теориях. Факт движения по покрытию воздушных судов (ВС) учитывается лишь одним коэффициентом динамичности, что недостаточно отображает реальную картину работы аэродромного покрытия. Стоит отметить, что современные воздушные суда обладают высокими взлетно-посадочными скоростями (до 280 км/ч) и значительными нагрузками на основную опору (до 1900 кН). Это не может быть не учтено в расчетах прочности конструкции взлетно-посадочной полосы и ее толщине, равно как и недостаточно изученный вид динамического напряжения деформированного состояния.

Для примера рассмотрим посадку воздушного судна (ВС) типа Ту-154 как наиболее распространенного отечественного судна в гражданской авиации. Судно имеет две основные опоры по три пары колес. Общий вес судна – 960 кН.

Н1

Н2

Рис. 8.17. Общая схема посадки ВС

Посадка ВС осуществляется на основные опоры, и вес, приходящийся на них в момент посадки, составляет до 100 % от общего веса судна. В момент соприкосновения колес с покрытием происходит ударное нагружение аэродромной конструкции силой Р1 (рис 8.17, а). В следующий момент

времени происходит отрыв колес от покрытия на величину Н1 за счет амортизации, и далее следует новое нагружение Р2. Таких «скачкообразных» движений может быть несколько (рис. 8.17, г, д) в зависимости от веса судна, амортизирующей способности, давления воздуха в шинах. При-

чем Р1 > Р2 >…..> Рn , а Н1 > H2 >..... > Hn.

Проведенные экспериментальные исследования на одном из аэродромов РФ позволили установить наличие колебательных процессов аэродромной конструкции при посадке ВС.

Запись колебания аэродромной конструкции производилась виброизмерительным оборудованием, состоящим из датчика типа К001, регистрирующего скорость колебания конструкции, и записывающего устройства (ноутбука). Датчик был установлен в зоне посадки ВС в верхнем слое покрытия на глубине 0,5h по траектории движения основной опоры (эксперимент проведен инж. В.М. Петровым). Конструкция ВПП в зоне посадке ВС была следующая: подстилающий слой основания – песок гравелистый толщиной 0,35÷0,50 м, основание – цементобетон В25 толщиной 0,24 м, нижний слой покрытия – армобетон В25 толщиной 0,16 м и верхний слой покрытия – армобетон В30 толщиной 0,20÷0,27 м.

На рис. 8.18, а, 8.19, а, 8.20, а, 8.21, а представлены кривые скорости колебания аэродромной конструкции при посадке ВС типов Ан-26,

ТУ-154М и АН-124-100.

Рис. 8.18. Кривые колебания аэродромной конструкции при посадке ВС типа Ан-26. Посадочная скорость – 210 км/ч, масса судна – 210 кН