Способ виброакустических испытаний ферм
METHOD OF VIBROACOUSTIC TRUSS TESTING

Изобретение относится к неразрушающим динамическим испытаниям конструкций и может быть использовано для своевременной диагностики повреждений и дефектов элементов ферм.
Широко известно, что скрытые механические повреждения элементов ферм /трещины и деформации в стержнях, растянутых и сжатых поясов, решеток, дефекты монтажных стыков, сварных швов и т.п./ обуславливают подавляющее большинство аварий инженерных сооружений, например: конвейерных транспортерных галерей /см. А.Н. Добромыслов. Диагностика повреждений зданий и инженерных сооружений. - М., Справочное пособие, 2007, стр. 125-130 [1]; Сахновский М.М. Уроки аварий строительных конструкций» Киев, 1969, стр. 33-35, 37-38 [2]/, транспортно-отвальных мостов/ [2], стр. 52-54/, мостов к доменным печам/ [2], стр. 43-44/, монтажных башенных кранов/ [2], стр. 73-77/, стропильных ферм/ [2], стр. 79/, обрушение стропильных ферм цеха /см. А.Н. Шкинёв. Аварии в строительстве, М., Стройиздат, 1984, стр. 124-136 [3]/, обрушение стальных ферм покрытия зрительного зала/ [3], стр. 186-187/, обрушение двух пролетов автодорожного моста/ [3], стр. 265-287/.
Известны способы статических испытаний конструкций ферм на стенде путем приложения нагрузки весовыми грузами /см. Долидзе Д.Е. Испытание конструкций и сооружений, М., 1975, стр. 140-141 [4]/, либо домкратами /см. Испытание сооружений. Справ. пособ. под ред. Ю.Д. Золотухина, Мн., 1992, стр. 168-172 [5]/, либо путем приложения усилий натяжными устройствами к узлам нижнего и вернего поясов и решетки фермы и измерения деформаций /см. Аронов Р.И. Испытание сооружений. М., 1974, стр. 73-75, 62-63 [6]/, либо с помощью эластичных герметичных камер нагружения, соединенных с источником давления /см. Аистов Н.Н., Испытание сооружений, Госстройиздат, 1960, с. 183 [7]/.
Недостатками известных способов является предельная сложность, громоздкость, низкая информативность.
Известны также динамические способы виброакустических испытаний конструкций, реализующие методы свободных и вынужденных колебаний, предусматривающие выделение локальных зон изделия, их последовательное перемещение вдоль конструкции с нагружением присоединенными массами и возбуждение колебаний в пределах данной зоны /см., например, а.с. СССР №1226303, G01N 29/04, 1986 [8]/, а.с. СССР №1396047, кл. G01N 29/04, 1988, [9]/,,
Однако, если известные способы с определенной натяжкой могут быть использованы для контроля дефектов в одиночных, легкодоступных для контакта по всей своей длине стержнях, то для динамических испытаний многопролетных ферм с труднодоступными стержнями нижних поясов и межпролетных решеток эти способы будут не просто представлять значительную сложность, но становятся практически нереализуемыми.
Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности существенных признаков является способ виброакустических /резонансных/ испытаний изделий, заключающийся в том, что в контролируемом изделии возбуждают вынужденные упругие колебания с изменяющейся частотой, регистрируют значение частоты резонансных колебаний, по отклонению которого от заданного значения судят о наличие дефекта /см. а.с. СССР №690378, кл. G01N 29/04, 1977 [10]/, и принятый за прототип.
Недостатками способа-прототипа в случае его реализации для испытаний фермы является необходимость предварительного знания заданных /паспортных/ значений резонансных частот всех стержней фермы, а также обеспечения возможности легкого доступа к этим стержням для последовательного их возбуждения и регистрации в каждом из них резонансных колебаний, что предельно увеличивает трудоемкость процесса осуществления способа, делая его практически нереализуемым.
Сущность изобретения заключается в создании способа виброакустических испытаний ферм, обеспечивающего высокую эффективность при сравнительно низкой трудоемкости реализации за счет возможности нахождения скрытых дефектов и разрушений в труднодоступных стержнях нижнего пояса и решетки за счет использования влияния этих дефектов на характер динамических характеристик легкодоступных стержней вернего пояса и решетки фермы.
Технический результат - повышение эффективности испытаний и снижение трудоемкости процесса.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном способе виброакустических испытаний ферм, включающем возбуждение в стержне вынужденных упругих колебаний с изменяющейся частотой и регистрацию значения частоты его резонансных колебаний, особенность заключается в том, что в качестве возбуждаемого выбирают один из легкодоступных стержней верхнего пояса испытываемой фермы, соединяют узлы на концах данного стержня жесткой стяжкой регулируемой длины, повторно регистрируют вышеуказанным образом его резонансную частоту, считают в случае резкого увеличения резонансной частоты стержень дефектным и производят его замену, после чего путем переноса и регулировки длины данной стяжки поочередно соединяют в узлах концы каждого из труднодоступных стержней нижнего пояса и решетки, граничных с возбуждаемым стержнем при наличие общего с ним узла, повторно для каждого соединения контролируют характер изменения резонансной частоты того же возбуждаемого стержня верхнего пояса, а в случае ее заметного увеличения производят отбраковку и замену соответствующего стянутого труднодоступного стержня нижнего пояса или решетки, далее выбирают в качестве возбуждаемых последовательно другие легкодоступные стержни верхнего пояса, а при необходимости и решетки, и для каждого из них аналогичным образом повторяют процесс испытаний граничных с ними труднодоступных стержней нижнего пояса и решетки.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где схематично изображено устройство реализации способа для одного из пролетов фермы с изогнутым верхним, прямолинейным нижним стержневыми поясами и межпоясной стержневой решеткой, установленной на шарнирно неподвижной и шарнирно подвижной опорах.
Пролет фермы установлен на шарнирно неподвижной опоре А и шарнирно подвижной опоре В и состоит из стержней 1, 4, 8, 12 изогнутого верхнего пояса, стержней 2, 6, 10, 13 прямолинейного нижнего пояса и стержней 3, 5, 7, 9, 11 межпоясной решетки, закрепленных в узлах А, В, С, Д, Е, К, F, N. При этом механизм для реализации способа представляет собой жесткую криволинейную стяжку 14 с регулятором 15 ее длины, выполненную, например, в виде двух резьбовых частей с разнонаправленной резьбой, соединенных поворотной гайкой /на рисунке в качестве примера показано пунктирной линией стяжкой 14 узлов А и С по концам стержня 1 верхнего пояса фермы/, вибратор 16, подключенный к выходу генератора 17 электрических сигналов, прикрепленный к стержню 1 пьезоэлектрический измеритель перемещений 18, последовательно соединенный с измерительным усилителем 19.
Способ виброакустических испытаний осуществляется следующим образом.
Сначала в качестве возбуждаемого выбирают легкодоступный сверху стержень 1 верхнего пояса фермы, с помощью вибратора 16, подключенного к выходу генератора 17, возбуждают в данном стержне вынужденные упругие колебания с плавно возрастающей частотой, с помощью пьезоэлемента 18, закрепляемого на противоположном конце стержня 1, с измерительным усилителем 19 фиксируют низшую резонансную частоту стержня 1 из спектра его собственных частот по моменту резкого возрастания амплитудыколебаний, фиксируемой пьезоэлементом 18. Далее жесткой стяжкой 14 регулируемой длины соединяют узлы А и С по концам данного стержня 1 и повторно регистрируют вышеуказанным образом его указанную резонансную частоту. Очевидно, что в случае выполнения стержнем 1 своих заданных функций, то есть его жесткого работоспособного состояния стяжка 14 практически не увеличивает жесткость параллельного механического соединения элементов 1 и 14, то есть увеличение резонансной частоты будет минимальным в случае же реальных дефектов в стержне 1 или зонах его крепления /трещин, нарушения сварочных швов и т.п/, резко уменьшающих его жесткость, новая жесткость системы 1, 14 будет практически определяться жесткостью стяжки 14, то есть резко возрастет, что, естественно, приведет к резкому скачкообразному увеличению повторно измеренной резонансной частоты. В последнем случае стержень 1 признают дефектным и заменяют, и процесс испытаний продолжается далее. Для этого сохраняют в качестве возбуждаемого стержень 1 и, соответственно, зоны действия элементов 16, 18 схемы измерения, а стяжку 14, изменяя ее длину, переносят в узлы А и Д на концах труднодоступного стержня 2 нижнего пояса фермы. Опять вышеуказанным образом контролируют характер изменения резонансной частоты стержня 1. При этом в случае признания стержня 1 в предыдущей серии измерений качественным его резонансная частота до введения стяжки 14 уже известна, в случае же брака в стержне 1 и его замены новым стержнем определение его резонансной частоты до зажатия стержня 2 стяжкой 14 проводят повторно /исходная частота нового, замененного стержня 1 будет отличаться от первоначального дефектрного/. Так как стержни 1 и 2 граничат с наличием общего узла А, то из статического расчета фермы очевидно, что наличие дефекта в стержне 2, ослабляющего его жесткость, приводит к снижению жесткости крепления стержня 1 в узле А, и, соответственно, снижает его резонансную частоту. Также очевидно, что введение стяжки 14, зажимающей стержень 2, ослабляет указанный эффект снижения жесткости стержня 1, и приводит при повторном измерении к заметному увеличению резонансной частоты стержня 1. Конечно, здесь в отличие от первой серии измерений при зажатии стяжкой 14 стержня 1 увеличение резонансной частоты нельзя назвать резким скачкообразным, так как увеличение жесткости стержня 1 при зажатии стержня 2 идет не напрямую, как в первом случае, а через сравнительно легко вычисляемый коэффициент взаимного влияния, однако увеличение резонансной частоты стержня 1 будет, как мы говорим "заметным" и легко практически фиксируемым. При наличие брака стержень 2 опять заменяют и продолжают процесс испытаний. При этом последовательно переносят стяжку 14 в узлы С и Д и узлы С и К соответственно, труднодоступных стержней 3 и 5 решетки, продолжая выполнять одно измерение измененной резонансной частоты стержня 1 в случае качественности стержня 2, или опять по два измерения в случае его замены новым стержнем /замена стержня 2 новым опять приведет к некоторому смещению исходной резонансной частоты стержня 1/. В случае обнаружения дефектов стержни 3 и 5 заменяются. Далее, выбирают в качестве возбуждаемого другой легкодоступный стержень 4 верхнего пояса, переносят на этот стержень 4 элементы 16 и 18 измерительной схемы, закрепляют стяжку 14 в узлах С и Е, контролируют вышеописанным образом качество стержня 4 и, перенося стяжку 14 в узлы ЕК - качество стержня 7. Далее, аналогично контролируют стержень 8, и при его возбуждении - стержни 9 и 11, после чего возбуждают и контролируют стержень 12 и при его возбуждении - стержень 13. В результате остались непроконтролированными труднодоступные стержни 6 и 10 нижнего пояса. Поэтому, возникает необходимость использовать в качестве возбуждаемого сравнительно доступный стержень 7 межпоясной стержневой решетки, перенося на его концы элементы 16 и 18 измерительной схемы и стяжку 14 в узлы Е и К. А уже далее при возбуждении стержня 7 проверять последовательно качество стержней 6 и 10, соединяя стяжкой 14 сначала узлы Д и К, а потом узлы К и N нижнего пояса. Следует отметить, что в принципе предлагаемый способ позволяет еще более снизить трудоемкость процесса испытаний, проводя, например, для заданного примера фермы измерения резонансных частот только для двух стержней 1 и 12 верхнего пояса, последовательно зажимая узлы крепления всех остальных стержней, в том числе и не граничащих со стержнями 1 и 12, стяжкой 14. В идеале при проведении испытаний для возбуждения с измерением резонансных частот можно использовать только один наиболее доступный для контакта стержень верхнего пояса, а остальные стержни последовательно фиксировать стяжкой 14, установка которой возможна практически на любой труднодоступный стержень, пусть и с некоторыми неудобствами. Однако, реализация последних вариантов требует предварительного серьезного расчета коэффициентов влияния жесткости всех остальных стержней на характер изменения жесткости, и, соответственно, и низшей резонансной частоты одного выбранного возбуждаемого и наиболее доступного стержня, верхнего пояса, а кроме того - предъявляет более серьезные требования по точности и разрешающей способности к элементам 18 и 19 измерительной схемы устройства вследствие необходимости выявления ими в процессе измерения значительно менее резких флуктуаций резонансных частот возбуждаемых стержней.
По мнению заявителей, предлагаемый способ испытаний ферм позволяет внести новый подход при динамических испытаниях стержневых инженерных конструкций, а также разнообразие в исследованиях динамики стержневых систем за счет тщательного подхода к теоретическому определению и практическим исследованиям коэффициентов взаимного динамического влияния стержней фермы.