Способ диагностики повреждений конструкций при циклических нагрузках

 

Изобретение относится касается испытаний конструкций при циклических нагрузках. Цель изобретения - повышение точности за счет учета искажений формы колебаний при выявлении асимметричных дефектов в конструкциях, размеры основания которых соизмеримы с высотой. На поверхности диагностируемой конструкции устанавливают вибродатчики - один в ее центре симметрии, а другие попарно-симметрично относительно ее центра симметрии и осей симметрии в местах и наибольшей расчетной деформации первых трех форм колебаний, возмущающую колебания силу прикладывают в центре симметрии на поверхности конструкции, задают не менее 10% от расчетной нагрузки на конструкцию и увеличивают ступенчато с равным шагом, на каждой ступени изменяют частоту нагружения со скоростью, достаточной для проявления резонанса конструкции, а степень повреждения конструкции определяют по показаниям каждого датчика и величинам искажения или характеристикам асимметрии соответствующих j-тых форм колебаний, которые определяют по формулам, приведенным в тексте описания. 1 з.п. ф-лы, 3 табл., 9 ил.

Изобретение касается испытаний конструкций при циклических нагрузках, в частности относится к способам вибродиагностики повреждений конструкций.

Известен способ определения характеристик рассеяния энергии колебаний, в котором возбуждают синусоидальные колебания в образце материала или элементе конструкции, регистрируют частоту возбуждения, амплитуду и собственную частоту колебаний образца, угол сдвига фаз между возбуждающей силой и деформацией образца и определяют коэффициенты демпфирования и рассеяния энергии колебаний, которые характеризуют демпфирующие свойства образца материала или элемента конструкции, по которым можно судить, например, о степени его усталостного повреждения. Однако этот способ не может быть использован при диагностировании массивных конструкций, размеры основания которых соизмеримы с высотой, так как характеристики рассеяния энергии колебаний поврежденной и неповрежденной конструкций такого типа практически не отличаются.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ диагностики повреждений конструкций при циклических нагрузках, заключающийся в том, что на диагностируемую конструкцию устанавливают вибродатчики, вызывают в ней синусоидальные колебания, изменяют частоту вызывающей колебания силы, фиксируют колебания, частоты собственных колебаний конструкции, ускорения, виброскорости и амплитуды колебаний в местах установки датчиков, по которым судят о степени повреждения конструкции [1] Однако этот способ неэффективен при диагностировании конструкций, размеры основания которых соизмеримы с высотой, например, для низких платформ, потому что он не учитывает искажений форм колебаний при появлении асимметричных дефектов в конструкциях. При асимметричных дефектах и симметричном приложении возмущающих нагрузок нарушается симметрия формы колеблющейся поверхности конструкции, а все известные способы не позволяют выявлять дефекты по отклонению от симметрии, то есть искажению формы колеблющейся поверхности конструкции, размеры основания которой соизмеримы с высотой.

Целью изобретения является повышение точности за счет учета искажений формы колебаний при выявлении асимметричных дефектов в конструкциях, размеры основания которых соизмеримы с высотой.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе диагностики повреждений конструкций при циклических нагрузках один из датчиков устанавливают на поверхности конструкции в ее центре симметрии, а другие датчики располагают на поверхности конструкции попарно-симметрично относительно ее центра симметрии и осей симметрии в местах наибольшей расчетной деформации первых трех форм колебаний, возмущающую колебания силу прикладывают в центре симметрии на поверхности конструкции, задают ее не менее 10% от расчетной нагрузки на конструкцию и увеличивают ступенчато с равным шагом, на каждой ступени изменяют частоту нагружения со скоростью, достаточной для проявления резонанса конструкции, а степень повреждения конструкции определяют по показателям каждого датчика с учетом искажения соответствующих форм колебаний, которые определяют по формуле где S_j величина искажения j-той формы колебаний; n число пар симметричных относительно центра симметрии на поверхности конструкции датчиков; A_1i, A_2i отношение амплитуды колебаний от единичной возмущающей силы соответственно 1 и 2 датчика из i-той пары к максимальной из всех парных датчиков амплитуде при j-той форме колебаний конструкции.

Если попарно-симметричные относительно центра симметрии конструкции датчики располагают на ее поверхности в местах, соответствующих равным амплитудам неповрежденной конструкции, то степень повреждения конструкции может быть определена с учетом характеристик μ_j асимметрии соответствующих j-тых форм колебаний, которые определяют по формуле где A_k отношение амплитуды колебаний k-го датчика от единичной возмущающей силы к максимальной из всех парных датчиков амплитуде при j-той форме колебаний конструкции.

При приложении возмущающей колебания силы в центре симметрии конструкции формы колебаний ее поверхности в случае отсутствия повреждений близки к симметричным относительно осей симметрии конструкции. Так как датчики установлены попарно-симметрично относительно центра симметрии на поверхности конструкции, их показания при отсутствии повреждений близки друг к другу, а в случае, например, усталостного повреждения конструкции нарушается симметрия ее колебаний и показания датчиков начинают отличаться тем больше, чем сильнее степень повреждения, то есть искажаются формы колебаний конструкции. Датчик в центре симметрии конструкции позволяет выявить существенные повреждения конструкции при симметричном развитии дефектов, когда показания парных датчиков изменяются одновременно и на одинаковую величину.

Экспериментально установлено, что наибольшую информацию о дефектах несут первые три формы колебаний конструкции, особенно первая форма колебаний, так как более высокие формы колебаний /при больших частотах/ сопровождаются существенно меньшими амплитудами и их выявление затруднено.

Вызывающую колебания силу задают сначала не менее 10% от расчетной нагрузки на конструкцию, что является экспериментально установленным порогом чувствительности, ниже которого обычно не удается раскачать испытываемую конструкцию. Ступенчатое увеличение возмущающей силы необходимо для преодоления этого порога чувствительности. При изменении частоты нагружения достигается резонанс конструкции в разных формах /модах/ колебаний. В момент резонанса по показаниям каждого датчика и величинам S_j, μ_j характеризующим искажение /асимметрию/ каждой из трех первых форм колебаний, определяют степень повреждения конструкции.

На фиг. 1 представлена первая форма колебаний поверхности неповрежденной конструкции и расположение датчиков; на фиг. 2 и фиг. 3 соответственно 2-я и 3-я формы колебаний поверхности неповрежденной конструкции; на фиг. 4-8 - амплитудно-частотные характеристики в местах установки датчиков Д₁, Д₂, Д₃, Д₄, Д₅ соответственно при возмущающей силе P_в, равной 20% от расчетной нагрузки на конструкцию; на фиг. 9 первая форма колебаний поврежденной конструкции.

Способ диагностики повреждений конструкций при циклических нагрузках реализован следующим образом.

Исследуемая конструкция представляет собой пролетное строение, составленное из шести железобетонных балок 1, 2 6 /см. фиг. 1/ таврового сечения высотой 90 см с обычной арматурой, объединенных в поперечном направлении пятью диафрагмами с шагом 2,5 м /не показаны/. Длина l пролета 11,36 м. Габарит проезжей части 7 м. Балки пролетного строения опирались на опоры, которые представляли собой четыре железобетонные колонны прямоугольного поперечного сечения, объединенные сверху ригелем /не показаны/. Устои моста козлового типа /не показаны/. Датчики Д₁, Д₂, Д₃, Д₄ устанавливают на проезжей части пролета над 2-й и 5-й балками в четверти их длины (см. фиг.1), т.е. попарно-симметрично относительно центра симметрии пролета. Датчики Д₁ и Д₄ образуют первую пару, датчики Д₂ и Д₃ вторую. На проезжей части в центре симметрии пролета устанавливают датчик Д₅.

В качестве нагружателя используют сейсмовибратор СВ5-150 на базе автомашины УРАЛ-4320. Возмущающую силу P_в прикладывают в центре симметрии пролетного строения. На первой ступени задают P_в равной 10% от расчетной нагрузки и вызывают в пролетном строение синусоидальные колебания, изменяют частоту нагружения со скоростью, достаточной для проявления резонанса конструкции о определяют амплитудно-частотные характеристики в местах установки датчиков Д₁, Д₂.Д₅. Фиксируют амплитуду в местах установки датчиков в момент резонанса. Затем увеличивают возмущающую силу ступенчато, величину приращения P_в от ступени к ступени задают равной 5% расчетной нагрузки на конструкцию. На каждой ступени также вызывают в пролетном строении синусоидальные колебания, изменяют частоту нагружения, определяют ампллитудно-частотные характеристики и фиксируют амплитуду в момент резонанса в местах установки датчиков.

При изменении частоты нагружения в конструкциях такого рода возникают различные формы колебаний. Первая форма колебаний поверхности конструкции (см. фиг. 1) похожа на колебания пластины, выпучивающейся то вверх, то вниз, у которой шарнирно закреплены два противоположных края. Позициями 7, 8, 9 обозначено верхнее крайнее положение поперечных образующих поверхности конструкции в местах установки датчиков при ее колебаниях, 10 верхнее крайнее положение продольных образующих поверхности конструкции при ее колебаниях, а₁, а₂, а₃, а₄ амплитуды колебаний конструкции в местах установки датчиков Д₁, Д₂, Д₃, Д₄ соответственно. Вторая форма колебаний поверхности конструкции (см. фиг.2) похожа на кручение относительно продольной оси симметрии 11 пластины с шарнирно закрепленными двумя противоположными краями 12. Третья форма колебаний (см. фиг.3) похожа на колебания пластины с шарнирно закрепленными двумя противоположными краями 12, у которой свободные края 13 совершают "машущие" движения, а середина 14 выпучивается в ту или иную сторону в противофазе с "машущими" краями 13.

Первая форма колебаний /см. фиг. 1/ по сравнению с другими имеет самые большие амплитуды и поэтому наиболее удобна для диагностики повреждений конструкций. Информацию о повреждениях несут также вторая и третья формы колебаний.

На третьей ступени нагружения, когда возмущающая сила достигает 20% от расчетной нагрузки, у амплитудно-частотной характеристики в местах установки датчиков (см. фиг. 4-8), ясно вырисовывается несколько резонансных пиков.

Например, в местах установки датчиков Д₁ /см. фиг.4/, Д₂ /см. фиг. 5/ амплитуды a колебаний от единичной возмущающей силы /колебания в метрах от возмущающей силы в 1 H/ имеют два резонансных пика самый большой пик 1 ф соответствует первой форме колебаний конструкции, второй пик 3 ф - третьей форме. У датчиков Д₃ /фиг. 6/, Д₄ /фиг. 7/ амплитуды колебаний имеют только по одному пику 1 ф, соответствующему первой форме колебаний. Вторая форма колебаний у исследуемой конструкции отсутствует, потому что в конструкции отсутствуют дефекты, приводящие к кручению. На фиг. 9 видно, как искажена первая форма колебаний поверхности исследуемой конструкции. Амплитуды а₁, а₂, а₃, а₄ колебаний в местах установки датчиков Д₁, Д₂, Д₃, Д₄, отложенные на фиг.9, сняты с амплитудно-частотных характеристик (см. фиг.4-7) и соответствуют первым пикам 1 ф.

В табл. 1 представлены значения амплитуд а₁, а₂, а₃, а₄ от единичной возмущающей силы в местах установки датчиков Д₁, Д₂, Д₃, Д₄ для первой формы колебаний.

Из всех значений амплитуд выбирают максимальную, на которую делят значения амплитуд и таким образом определяют приведенные значения амплитуд А₁, А₂,А₃,А₄,А₅,представленные в табл.2.

Величину искажения 1-й формы колебаний определяют по формуле /1/, где число пар, симметричных относительно центра симметрии на поверхности конструкции датчиков n=2, и формула принимает вид Характеристику асимметрии 1-й формы колебаний вычисляют по формуле /2/, которая имеет вид
Значения критериев S₁·μ₁ для исследуемой конструкции и эталонные /предельные/ критериев S_1пред·μ_1пред представлены в табл. 3. Эталонные значения критериев получены экспериментально этим же способом для конструкции, не имеющей дефектов.

Из данных табл.3 видно, что величины критериев у исследуемой конструкции больше, чем у неповрежденной эталонной. То есть исследуемая конструкция имеет существенно несимметричные дефекты и требует детального обследования и ремонта.

Показания центрального датчика Д₅ (см. фиг. 8) могут использоваться для диагностики симметричных дефектов. В данном случае амплитуда колебаний от единичной возмущающей силы в месте установки датчика Д₅ для 1-й формы колебаний составила а₅=2,422·10^-8 м/H (см. пик 1ф на фиг.8). Для эталонной конструкции а_5э= 1,725·10^-8 м/H, то есть амплитуда колебаний больше, чем у эталонной. Это свидетельствует о снижении жесткости конструкции и подтверждает наличие в ней не только асимметричных, но и симметричных дефектов.

Визуальное обследование конструкции подтвердило, что она имеет разрыв рабочей арматуры в пятой балке и повреждение четырех диафрагменных связей между четвертой и пятой балками.

Если бы у исследуемой конструкции появилась вторая форма колебаний, то это свидетельствовало бы о наличии дефектов, приводящих к кручению конструкции.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет повысить точность за счет учета искажений формы колебаний при выявлении асимметричных повреждений в конструкциях, размеры основания которых соизмеримы с высотой, и может быть использован, например, при экспресс-диагностике мостов, путепроводов, тоннелей и т.п.

Формула изобретения

1. Способ диагностики повреждений конструкций при циклических нагрузках, заключающийся в том, что на диагностируемую конструкцию устанавливают вибродатчики, вызывают в ней синусоидальные колебания, изменяют частоту вызывающей колебания силы, фиксируют формы колебаний, частоты собственных колебаний конструкции, ускорения, виброскорости и амплитуды колебаний в местах установки датчиков, по которым судят о степени повреждения конструкции, отличающийся тем, что, с целью повышения точности за счет учета искажений формы колебаний при выявлении асимметричных дефектов в конструкциях, размеры основания которых соизмеримы с высотой, один из датчиков устанавливают на поверхности конструкции в ее центре симметрии, а другие датчики располагают на поверхности конструкции попарно симметрично относительно ее центра симметрии и осей симметрии в местах наибольшей расчетной деформации первых трех форм колебаний, вызывающую колебания силу прикладывают в центре симметрии на поверхности конструкции величиной не менее 10% от расчетной нагрузки на конструкцию и увеличивают ее ступенчато с равным шагом, на каждой ступени изменяют частоту нагружения со скоростью, достаточной для проявления резонанса конструкции, а степень повреждения конструкции определяют по показаниям каждого датчика с учетом величин искажений соответствующих форм колебаний, которые определяют по формуле

где S_j величина искажения j-й формы колебаний;
n число пар симметричных относительно центра симметрии на поверхности конструкции датчиков;
A_1i, A_2i отношение амплитуды колебаний от единичной возмущающей силы соответственно первого и второго датчиков i-й пары к максимальной из всех парных датчиков амплитуде при j-й форме колебаний конструкции.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что попарно-симметричные относительно центра симметрии конструкции датчики располагают на ее поверхности в местах, соответствующих равным амплитудам неповрежденной конструкции, а степень повреждения конструкции определяют с учетом характеристик μ_j асимметрии соответствующих j-х форм колебаний, которые определяют по формуле

где А_k отношение амплитуды колебаний k-го датчика от единичной возмущающей силы к максимальной из всех парных датчиков амплитуде при j-й форме колебаний конструкции.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10