Способ контроля технического состояния пролетных строений

 

Изобретение относится к способам неразрушающего контроля технического состояния пролетных строений. Способ контроля технического состояния пролетного строения (ПС) заключается в воздействии на ПС динамической нагрузкой с широким спектром частот, измерении при этом параметров механической вибрации с помощью акселерометров в контрольных точках ПС, получении параметра диагностического признака и определении положения зоны аномального механического напряжения по изменению этого параметра на основе критерия. Контрольные точки выбирают на ПС попарно симметричными относительно продольной и поперечной осей симметрии ПС, в каждой контрольной точке закрепляют по три угловых акселерометра, измерительные оси которых лежат в трех взаимно-перпендикулярных направлениях. ПС подвергают воздействию симметричной относительно осей ПС динамической нагрузки, измеряют при этом среднеквадратичное значение (с. к.з.) выходного электрического сигнала каждого акселерометра в диапазоне частот 0,1-800 Гц, вычисляют в качестве параметра диагностического признака отношения с. к. з. для каждой пары акселерометров с одинаковой ориентацией измерительных осей в каждой паре контрольных точек, симметричных относительно продольной и поперечной осей ПС, и сравнивают эти отношения с помощью критерия по формуле |1-r|>γ, где r - вышеуказанные отношения с.к.з., γ - условное числовое значение, заданное согласно техническим нормам для конкретного типа конструкции ПС и соответствующее аномальному отклонению от симметрии механических напряжений в ПС, причем линия, соединяющая пару симметричных относительно продольной или поперечной оси ПС контрольных точек, для которых значение величины r удовлетворяет данному критерию, указывает на направление положения зоны аномального механического напряжения, а пересечение двух таких линий определяет местоположение этой зоны. Данное изобретение позволяет повысить точность определения местоположения зон аномального механического напряжения в ПС. 2 ил.

Предлагаемое изобретение относится к способам неразрушающего контроля технического состояния пролетных строений (ПС) и может быть использовано для контроля и диагностики других инженерных сооружений и конструкций, таких как каркасы зданий, трубопроводы, заводские трубы, телебашни, суда, летательные аппараты и т.п.

Известны различные способы неразрушающего инструментального контроля технического состояния и диагностики повреждений (дефектов) ПС, среди которых большое распространение получили динамические способы, при которых ПС подвергаются различного рода динамическим нагрузкам - одиночным, периодически повторяющимся ударам, синусоидальной или широкополосной вибрации (1-3). При этом, в ПС возбуждаются вынужденные и собственные колебания, параметры которых (частота, амплитуда, фаза) измеряются в фиксированных контрольных точках с помощью первичных измерительных преобразователей какой-либо механической величины (перемещения, скорости, ускорения) в электрическую (заряд, ток, напряжение). Обрабатывая полученную таким образом информацию, получают, так называемый, "динамический портрет" ПС (2), анализируя который на основании какого-либо диагностического признака и критерия, можно выявить зоны аномального поведения элементов конструкции ПС - механические перенапряжения или наоборот ослабления, открытые или скрытые дефекты (трещины, разрывы арматуры, проседания опор и т.д.), а также следить за их развитием во времени.

В последние годы среди динамических способов контроля и диагностики ПС получили развитие методы спектрального анализа (1), при которых информация, получаемая с помощью первичных преобразователей, представляется в виде частотных спектров. При этом в качестве диагностического признака используется сдвиг по частоте максимумов в спектре выходного электрического сигнала преобразователя, отвечающих собственным частотам колебаний элементов конструкции ПС, в случае наличия зон аномального механического напряжения (дефекта).

Наиболее близким к предлагаемому является способ (5), при котором в процессе динамического воздействия на ПС измеряют параметры крутильных и изгибных вибрационных колебаний несущих элементов конструкции ПС с помощью линейных акселерометров, установленных в контрольных точках ПС, а в качестве диагностического признака использован сдвиг по частоте пиков собственных колебаний ПС, по характеру которого с помощью специально разработанной таблицы значений сдвига судят о месте положения и характере дефекта.

Авторы способа (5) признают его ограниченность, вследствие невозможности учесть в предложенной математической модели ПС все разнообразие их конструкций и специфику дефектов. К недостатками указанного способа, наряду с вышеупомянутым, следует отнести, во-первых, использование как диагностического признака сдвига по частоте максимумов (пиков) собственных частот колебаний ПС, что ограничивает применение способа объектами, имеющими ярко выраженные по сравнению с общим фоном спектральные пики (высокую добротность колебаний), в то время как для большинства реальных ПС, например, для железобетонных автодорожных мостов, частотный спектр колебаний представляет собой, по сути, сплошные спектры с размытыми перекрывающимися пиками, по которым сложно судить о сдвиге пиков, особенно если они расположены рядом. Это может привести к неверной интерпретации результатов и снизить точность определения места положения аномальных зон (дефектов). Во-вторых, применение линейных акселерометров для измерения параметров угловой вибрации (крутильных и изгибных колебаний) методически нецелесообразно, поскольку для измерения одной физической величины (углового ускорения) используются измерительные преобразователи другой (линейного ускорения). Это также осложняет интерпретацию результатов, снижает точность измерений и, как следствие, точности локализации в ПС зон аномального механического напряжения особенно на ранней стадии развития дефектов.

Вместе с тем, использование интегральных характеристик (в отличие от спектральных - сдвига максимумов по частоте), полученных с помощью угловых акселерометров, имеющих высокую чувствительность во всем диапазоне частот, характерном для вибрации ПС, способствовало бы преодолению указанных недостатков.

Целью предлагаемого способа является повышение точности определения места положения зон аномального механического напряжения в ПС.

Эта цель достигается тем, что контрольные точки на ПС выбирают попарно симметричными от относительно продольной и поперечной осей симметрии ПС, в каждой контрольной точке закрепляют по три угловых акселерометра, причем измерительную ось одного из них ориентируют параллельно продольной оси ПС, другого - параллельно поперечной оси ПС, третьего - перпендикулярно измерительным осям первого и второго, ПС подвергают воздействию симметричной относительно осей ПС динамической нагрузки, при этом измеряют среднеквадратическое значение (с.к.з.) выходного электрического сигнала каждого акселерометра в диапазоне частот 0,1-800 Гц, вычисляют отношения с.к.з. для каждой пары акселерометров с одинаковой ориентацией измерительных осей в каждой паре контрольных точек, симметричных относительно продольной и поперечной осей ПС, и сравнивают эти отношения с их предельно допустимыми значениями с помощью критерия по формуле |1-r|>γ, где r - вышеуказанные отношения с.к.з., γ - условное числовое значение, заданное согласно техническим нормам для конкретного типа конструкции ПС и соответствующее аномальному отклонению от симметрии механических напряжений в ПС, причем линия, соединяющая пару симметричных относительно продольной или поперечной оси ПС контрольных точек, для которых значение величины r удовлетворяет данному критерию, указывает на направление положения зоны аномального механического напряжения, а пересечение двух таких линий определяет место положения этой зоны.

В основу предлагаемого способа положено свойство симметрии конструкции исследуемого объекта (ПС). Подавляющее число ПС имеет прямоугольную (в плане) форму, причем несущие нагрузку элементы конструкции (балки, опоры) расположены симметрично относительно продольной и поперечной осей симметрии ПС. Физически это означает, что дополнительные механические напряжения, возникающие в ПС по действием на него симметричной динамической нагрузки, также должны быть симметричны относительно его осей (центра) симметрии при идеальном техническом состоянии ПС или близки к симметрии для реального технически исправного ПС.

При наличии дефектов (разрывов арматуры, трещин балок и диафрагм и т п.) или зон повышенного (пониженною) механического напряжения (например, поднятие или проседание опор) картина механических напряжений, как правило, перестает быть симметричной, хотя бы по отношению к одной из осей симметрии (исключение - расположение дефекта точно в геометрическом центре ПС, что маловероятно). Аномальные напряжения приводят к изменению параметров вибрации (углового ускорения) в точках контроля и симметрии динамического портрета ПС в целом.

Искажение симметричной картины напряжений - очень чувствительный диагностический признак, что и использовано в предлагаемом изобретении, в частности, при измерениях сигналов акселерометров для поиска мест расположения дефектов.

В качестве симметричного динамического воздействия можно взять, например, серию одиночных, периодически повторяющихся ударов в геометрическом центре ПС, или одинаковые серии ударов рядом с каждой контрольной точкой и т. п. При этом результаты измерений должны быть статистически усреднены (по времени и числу ударов). При ударном воздействии в ПС возбуждаются практически все типы собственных колебаний.

В качестве динамического воздействия на ПС может быть использовано также само движение транспорта, при этом спектр возбуждаемых колебаний ПС будет также весьма широк. Для обеспечения симметричного воздействия в этом случае необходим относительно длительный промежуток времени и интенсивное движение по ПС в обе стороны с тем, чтобы накопленные и усредненные значения измеряемого параметра (с.к.з.) отвечали статистически симметричному относительно продольной оси ПС, динамическому воздействию.

Другой особенностью предлагаемого способа является использование в качестве преобразователей первичной информации угловых акселерометров. Применение линейных акселерометров в аналогах и прототипе можно объяснить отсутствием в распоряжении авторов известных способов высокочувствительных угловых акселерометров с рабочим диапазоном частот, перекрывающим спектр частот вибрации ПС. Действительно, для измерения углового ускорения вибрации ПС требуются угловые акселерометры с рабочим диапазоном частот, по крайней мере, от 0,1 до 800 Гц, которые до недавнего времени нигде в мире не производились. Однако к настоящему времени в ФГУП "НПП Квант" разработаны и применяются специально для целей диагностики молекулярно-электронные угловые акселерометры типа ИУУ-М, отвечающие необходимым метрологическим и эксплуатационным требованиям. Их применение позволяет значительно повысить точность определения зон аномального механического напряжения (дефектов).

В качестве примера одного из вариантов реализации предлагаемого способа можно привести схему измерений для определения места положения дефекта в ПС, которая была опробована на практике на одном из пролетов реального моста в ходе выполнения ОКР по созданию в ФГУП "НПП "Квант" передвижной диагностической лаборатории "Волна-1". Размещение измерительной аппаратуры при экспресс-диагностике ПС приведено на фиг.1, где А - передвижная лаборатория (1 - пульт управления, 2 - накопитель информации, 3- 2-канальный анализатор спектра, 4 - осциллограф, 5 - источник питания ударного механизма, 6, 7 - источники питания аппаратуры), Б - установка акселерометров на ПС (1 - кубический кронштейн 2 - угловые акселерометры типа ИУУ-М, 3 - клеевое соединение с поверхностью ПС (гудрон), В - ударный механизм.

Последовательность действий следующая: - выбирают положения контрольных точек на поверхности ПС, симметрично относительно его продольной и поперечной осей симметрии; в данном случае - это пересечения балок и диафрагм на периметре ПС; - в каждой паре контрольных точек, симметричных относительно одной из осей ПС, жестко закрепляют по три угловых акселерометра с взаимно перпендикулярными измерительными осями (после измерений в одной паре контрольных точек проводят измерения в следующей); для этого угловые акселерометры жестко (на винтах) закреплены базовыми плоскостями на гранях кубического кронштейна (при этом их измерительные оси будут взаимно перпендикулярны); поверхность ПС в месте контрольной точки очищают от грязи, на нее наносят тонкий слой горячего гудрона, на который устанавливают кронштейн так, чтобы измерительная ось одного из акселерометров была ориентирована параллельно одной из осей ПС (например, продольной); - в центре ПС жестко (на гудрон) крепят основание ударного механизма; - подсоединяют линии связи к авселерометрам и ударному механизму (согласно схемы фиг. 1); включают все приборы и проверяют функционирование схемы; - производят серию из 50 ударов со скважностью 2 с; при этом производят запись выходных сигналов акселерометров на многоканальный магнитный накопитель (типа FC-4) при контроле сигналов с помощью электронного осциллографа (например, типа С-101). 0бщее управление схемой (подача питания, задание количества и скважности ударов, контроль сигналов с акселерометров и т.д.) осуществляют с помощью специального пульта управления; - после регистрации сигналов в одной паре контрольных точек повторяют операции для следующей пары симметричных контрольных точек и т.д.; - после окончания регистрации измеряют с.к.з выходных сигналов пар акселерометров с одинаковой ориентацией измерительных осей (например, параллельных продольной оси симметрии ПС) для каждой пары контрольных точек, симметричных относительно продольной оси ПС; для этой цели используют двухканальный анализатор спектра (например, типа 2034 "ВК"); измерения проводят в диапазоне 0,1-800 Гц; - вычисляют отношения с.к.з. выходных сигналов указанных пар акселерометров (величину r), результаты заносят в таблицу; - аналогичные измерения и вычисления проводят для пар акселерометров с другой ориентацией измерительных осей, а также вычисления для пар контрольных точек, симметричных относительно поперечной оси ПС;
- на плане ПС строят векторные диаграммы этих отношений (величины r) для каждой ориентации измерительных осей акселерометров (каждого вида угловых колебаний: крутильных и двух типов изгибных) и для каждой из осей симметрии ПС; при этом начала векторов помещают на оси симметрии ПС в точке пересечения ее с линией, соединяющей пару симметричных контрольных точек, концы векторов направлены на контрольные точки, а длины векторов в соответствующем масштабе равны отношению с.к.з. сигнала акселерометра в контрольной точке к с. к. з. сигнала симметрично расположенного акселерометра, т.е. соответствующему значению r;
- на диаграмме строят линии, параллельные оси симметрии и удаленные от нее на 1+γ, 1,1-γ (по обе стороны от оси), где γ - уровень (число), установленное в соответствии с техническими нормами предельного допуска на асимметрию механических напряжений для ПС данной конструкции (в данном случае он соответствовал 0,3); если концы векторов расположены вне полосы 1±γ, то линия, соединяющая такую пару контрольных точек, указывает направление аномального механического напряжения;
- сравнивают векторные диаграммы, построенные относительно обеих осей симметрии ПС; место пересечения линий аномального напряжения на плане ПС указывает место положения аномальной зоны (дефекта).

На фиг. 2 приведены векторные диаграммы отношений с.к.з. (r) пар акселерометров с одинаковой ориентацией измерительных осей параллельно продольной оси ПС (крутильные колебания), построенные относительно продольной (X) и соответственно поперечной (Y) осей симметрии ПС. Из фиг.2а следует, что направление зоны аномального механического напряжения находится на линии, соединяющей точки, расположенные между диафрагмой "г" и опорной балкой "д" (δ - относительная погрешность измерений величины r, δ=0,07); из фиг.2б видно, что направление зоны аномального механического напряжения - вдоль балки "б". Место положения зоны аномального механического напряжения определяется точкой пересечения этих двух направлений и находится на балке "б" между диафрагмой "г" и опорной балкой "д".

Оценка экономической эффективности предлагаемого способа от внедрения в практику проведена в предположении, что за счет объективности и достоверности оценки технического состояния ПС можно сделать своевременный вывод о необходимости текущего ремонта, тем самым продлить срок службы ПС. Например, при общих затратах на плановый капитальный ремонт мостов 150000 у.е., продление срока службы до капитального ремонта у 10% мостов дает экономию 15000 у. е. При стоимости оборудования лаборатории 15000 у.е. она окупится за 1 год.

Литература
1. Патент Великобритании 2137347 (National Research Development Corporation). "Ударные испытания конструкций".

2. Kyska. R. -Vech. L. : Automatizacia dynamickych skusok mostov. Inzenyrske stavby, l, 1982, str. 30-33 (P. Кишка, Л. Вех, Исследовательский институт инженерного строительства, г. Братислава. Автоматизация динамических испытаний мостовых конструкций).

3. Bauman К., Drescher J Hochschule fuer Verkehrswesen Friedrich List. Wissenshaftliche Zeitschrift. 1985. Vol. 32, 5, p. 846-853 (Исследования по технической диагностике мостов).

4. Broch J.T.: Mechanical Vibration and Shock Measurements. (Bruel and Kjaer, NAERUM, Denmark, 1984).

5. Nishimura A. , Fudjii M, Migamoto A.: Sensitivity of mecanical of behavior of bridges for their damage assessment (Чувствительность механического поведения мостов при оценке их повреждений), "Добоку гаккай ромбунсю, Proc. Jap. Soc. Civ. Eng.", 1987, 380, р.355-364.

Формула изобретения

Способ контроля технического состояния пролетного строения (ПС), включающий воздействие на ПС динамической нагрузки с широким спектром частот, измерение при этом параметров механической вибрации с помощью акселерометров в контрольных точках ПС, получение параметра диагностического признака и определение положения зоны аномального механического напряжения по изменению этого параметра на основе критерия, отличающийся тем, что контрольные точки выбирают на ПС попарно симметричными относительно продольной и поперечной осей симметрии ПС, в каждой контрольной точке закрепляют по три угловых акселерометра, причем измерительную ось одного из них ориентируют параллельно продольной оси ПС, другого - параллельно поперечной оси ПС, а третьего - перпендикулярно измерительным осям первого и второго, ПС подвергают воздействию симметричной относительно осей ПС динамической нагрузки, измеряют при этом среднеквадратичное значение (с. к. з. ) выходного электрического сигнала каждого акселерометра в диапазоне частот 0,1-800 Гц, вычисляют в качестве параметра диагностического признака отношения с. к. з. для каждой пары акселерометров с одинаковой ориентацией измерительных осей в каждой паре контрольных точек, симметричных относительно продольной и поперечной осей ПС, и сравнивают эти отношения с помощью критерия по формуле
|1-r|>γ,
где r - вышеуказанные отношения с. к. з. ;
γ - условное числовое значение, заданное согласно техническим нормам для конкретного типа конструкции ПС и соответствующее аномальному отклонению от симметрии механических напряжений в ПС,
причем линия, соединяющая пару симметричных относительно продольной или поперечной оси ПС контрольных точек, для которых значение величины r удовлетворяет данному критерию, указывает на направление положения зоны аномального механического напряжения, а пересечение двух таких линий определяет местоположение этой зоны.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2