Способ мониторинга технического состояния мостовых опор в процессе их эксплуатации
METHOD FOR MONITORING THE TECHNICAL CONDITION OF BRIDGE PIERS IN THE PROCESS OF OPERATION THEREOF

Изобретение относится к области неразрушающего контроля и предназначено для мониторинга технического состояния и диагностики опор мостовых сооружений различного конструктивного исполнения в процессе их эксплуатации.
Размывы основания опор достаточно распространенное природное явление, представляющее угрозу для безопасности движения транспортных средств. Главной причиной появления размывов является наличие препятствия на пути движущегося водного потока. Несвоевременное обнаружение размыва может повлечь за собой серьезные последствия. Опора может получить крен, либо полностью потерять устойчивость, вызвав обрушения пролетных строений. Своевременная фиксация состояния опор позволит не допустить переход сооружения в аварийное техническое состояние, характеризуемое исчерпанием несущей способности опоры по устойчивости положения. Применение способа диагностики размывов опор является инструментом для принятия решений о превентивных мерах.
Известен способ диагностики размывов опор мостов посредством обследования подводных частей опор [см. Инструкция по содержанию подводной части опор железнодорожных мостов, утв. Департаментом пути и сооружений ОАО «Российские железные дороги», декабрь 2007 г.], включающий водолазные спуски и работы методом кратковременных погружений на глубинах до 60 м с выявлением дефектов подводных частей опор, выявлением выпучин, промоин и просадок грунта и ведением подводного фотографирования и видеосъемки, промерные работы глубин водотока рейками и/или наметками, и/или гидрометрическими штангами, и/или лотами, и/или механическими лотами, и/или ультразвуковыми эхолотами в разных точках вокруг опор через 3 м по лучам длиной 15 м, которые фиксируются на поверхности воды с помощью створного троса, переносимого по мере выполнения замеров перпендикулярно линии кордона вдоль опор и ориентируемого по створу, устанавливаемому на опоре, оценку руслового процесса по данным гидрогеологический наблюдений, в частности, сравнением результатов измерения глубин русла в различные моменты времени и сопоставлением этих данных с данными о расходах и уровнях воды в реке, выявление и оценку динамики общих размывов, выявление и оценку динамики и степени опасности местных размывов у опор.
Главным недостатком указанного технического решения является практическая невозможность выполнения комплекса подводных работ в паводки, в которые наблюдаются наибольшие уровень воды и скорость водного потока, соответственно, наибольшая вероятность развития размыва. Также следует отметить высокую стоимость и большую трудоемкость работ данного метода.
Наиболее близким техническим решением является способ определения технического состояния строительных конструкций и/или их частей и элементов [см. патент РФ №2341623, МПК Е04В 1/00, G01Μ 7/00, опубл. 20.12.2008, Бюл. №35], включающий выбор точек измерения в зависимости от объемной конфигурации объекта, установку вибродатчиков в выбранных точках, регистрацию колебаний по координатам Χ, Υ, Ζ микродинамического фона естественного и техногенного происхождения объекта, в условиях которого он постоянно находится, и определение частот и амплитуд собственных колебаний объекта, при этом для анализа изменения динамических характеристик объекта предварительно с помощью математического моделирования вычисляют частоты и амплитуды собственных колебаний объекта в минимально нагруженном состоянии и в максимально нормативно нагруженном состоянии, характеризующем его предельную несущую способность, при этом при вычислении динамических характеристик объекта определяют количество обертонов, измеряемые величины которых наиболее существенно подвержены изменению при увеличении нагрузки на объект, и выбирают место установки вибродатчика на объекте из условия максимального смещения по используемым для анализа тонам собственных колебаний объекта, после чего производят определение этих параметров на реальном объекте и, сравнивая результаты измерений с величинами аналогичных параметров, полученными с помощью математического моделирования, судят о степени приближения несущей способности объекта к его предельной несущей способности.
Однако при реализации известного решения необходимо выполнять поиск точек для установки вибродатчиков в зависимости от объемной конфигурации объекта, измерять колебания в трех плоскостях. Также оно не позволяет определить локализацию дефекта, так как снижение значений контролируемых параметров может указать только на его наличие.
Технической задачей, на решение которых направлено заявленное изобретение, является повышение эксплуатационной надежности мостов за счет своевременного обнаружения размывов опор на основе организации мониторинга частот собственных колебаний и углов наклона опор. Техническая задача решается за счет того, что в заявленном способе мониторинга технического состояния мостовых опор, включающем установку вибродатчиков на объекте мониторинга, регистрацию колебаний объекта под действием микродинамического фона естественного и техногенного происхождения, в условиях которого он постоянно находится, обработку полученных сигналов, в результате которой определяют фактические частоты собственных колебаний, вычисление частот собственных колебаний объекта в нагруженном состоянии с помощью математического моделирования, сравнение фактических частот с расчетными, полученными при моделировании для определения степени снижения или потери несущей способности, вибродатчики устанавливают на оголовке опоры в горизонтальной плоскости, частоты собственных колебаний опоры в нагруженном состоянии вычисляют при различных вариациях глубины и ширины размыва в поперечном и продольном направлениях, при этом для динамического анализа используют первую изгибную поперечную и продольную частоты собственных колебаний опоры, дополнительно определяют локализацию местных размывов у опор путем записи углов наклона верха опоры в поперечном и продольном направлениях при проходе обращающейся нагрузки посредством установленных на оголовке опоры инклинометров, и по полученным результатам судят о техническом состоянии опоры.
На приведенных чертежах на фиг. 1 - объект диагностики, на фиг. 2 - расположение измерительной аппаратуры на опоре, содержащей коммутационно-измерительный блок, два датчика-акселерометра, два датчика-инклинометра, источник резервного питания (на каждую опору моста), на фиг. 3 - конечно-элементная модель промежуточной опоры моста, на фиг. 4 - поверхность изменения расчетной частоты свободных колебаний опоры от глубины и ширины размыва, на фиг. 5 - показания инклинометров поперек оси моста.
Предлагаемый способ реализуется следующим образом.
На оголовках (насадках) опор моста устанавливают акселерометры и инклинометры, ориентированные в горизонтальной плоскости в поперечном и продольном направлениях моста. Колебания опор записывают по показаниям акселерометров под воздействием микродинамического фона естественного и техногенного происхождения. Далее после обработки первичных сигналов, записываемых акселерометрами, посредством быстрого преобразования Фурье (БПФ) получают спектры частот колебаний опор. Из данных спектров методом отбора пиковых значений определяют первые частоты собственных колебаний опоры.
Затем с помощью программного комплекса создают конечно-элементные модели опор. Производят расчеты первых частот собственных колебаний опор при различных вариациях глубины и ширины размыва и его локализации (по контуру опоры). Влияние других дефектов на частоту свободных колебаний и углы наклона опор предполагают незначительными, по сравнению с изменениями рассматриваемых параметров вследствие размыва опор.
Подразумевают, что частота свободных колебаний опоры является некоторой функцией:
где ν - частота собственных колебаний, Гц; h - глубина размыва основания опоры от первоначального (проектного) уровня, см; b - ширина размыва основания, отсчитываемая от края опоры поперек оси моста, см.
По результатам расчетов при различных сочетаниях аргументов функции (1) получают некоторую поверхность, отражающую изменения значений частоты собственных колебаний опоры от глубины и ширины размыва. Затем согласно построенной поверхности производят автоматизированный подбор нескольких вариантов размывов опоры с различными вариациями значений h и b, которым соответствует фактические частоты собственных колебаний.
Далее под действием подвижной нагрузки фиксируют углы наклона опор в направлениях потока воды и движения транспорта. По результатам обработки сигналов инклинометров получают графики изменения углов наклона опор от действия подвижной нагрузки и определяют локализацию размывов опор путем сравнения значений углов наклона опоры в разные стороны в одной плоскости (при приложении нагрузки с эксцентриситетом относительно оси опоры) и/или определения направления наклона опоры в одной плоскости. После чего из нескольких вариантов размывов опоры с различными вариациями значений h и b, соответствующих фактическим частотам, выбирают вариант с истинным уровнем размыва опоры и дают заключение о техническом состоянии опор и рекомендации для дальнейшей эксплуатации.
Пример 1. Осуществлялась диагностика местных размывов опор железнодорожного моста (см. фиг. 1).
В качестве объектов исследования были выбраны идентичные друг другу по конструкции промежуточные опоры на свайном фундаменте двухпутного железнодорожного моста.
Измерительное оборудование, представленное коммутационно-измерительным блоком, двумя датчиками-акселерометрами, двумя датчиками-инклинометрами и источником резервного питания, устанавливали на нижней плите балансира неподвижных опорных частей промежуточных опор моста в поперечном и продольном направлениях (см. фиг. 2). Для определения частот производили регистрацию колебаний объекта по показаниям датчиков-акселерометров под действием микродинамического фона естественного и техногенного происхождения. Фиксацию изменения углов наклона опоры вели по показаниям датчиков-инклинометров под действием подвижной нагрузки (электровоза ВЛ80С).
После обработки первичного сигнала, записываемого акселерометрами, посредством БПФ был получен спектр частот колебаний опор. Из данного спектра методом отбора пиковых значений определена первая частота собственных поперечных колебаний, значение которой для одной из опор составило 1,41 Гц, для двух других 2,89 Гц.
В программном комплексе  была создана конечно-элементная модель исследуемых опор (см. фиг. 3) и произведены расчеты первых частот собственных колебаний при моделировании различных ситуаций взаимодействия фундамента опоры с грунтом (различных значениях глубины h и ширины размыва b), результаты которых представлены в таблице 1. По результатам выполненных расчетов была получена поверхность изменения частоты свободных колебаний опоры от глубины и ширины размыва (см. фиг. 4).
Далее на основании полученной поверхности производится автоматизированный подбор вариантов размыва опоры с различными вариациями значений глубины и ширины размыва, которым соответствует фактическая частота собственных колебаний. Для двух опор с частотой собственных колебаний 2,890 Гц можно сделать вывод, что уровень заделки опоры в грунт находится выше ростверка, местный размыв фундамента отсутствует. Для опоры с частотой колебаний 1,410 Гц соответствуют вариации глубины и ширины размывов, представленные в таблице 2.
Затем определяют локализацию (стороны) размыва посредством сравнения значений углов наклона опоры при проходе подвижной нагрузки по первому и второму пути моста. Сравнение осуществляется по показаниям инклинометров поперек оси моста (см. фиг. 5). Синим цветом показаны углы наклона опоры (в условных единицах) при проходе подвижного состава по пути с верховой стороны (со стороны истинного размыва), красным - при проходе подвижного состава по пути с низовой стороны. Как видно из графика, угол наклона при проходе состава со стороны размыва значительно превышает угол наклона при загружении противоположной стороны опоры. Так, при переводе условных единиц в градусы, угол наклона при проходе состава с верховой стороны составляет около 3°, тогда как при проходе с низовой стороны угол близок к нулю. Тем самым определяется, что местный размыв сформирован в носовой части опоры.
На основании проведенной диагностики делается вывод о том, что истинный размыв опоры находится в диапазоне 3,5-3,8 м в глубину и 3-10,5 м в ширину соответственно (см. таблицу 2), что влияет на работоспособность опоры. На момент инструментальных измерений пропуск проектной нагрузки с установленной для данного участка пути скоростью обеспечен. Необходимо дальнейшее наблюдение за возможным развитием размыва опоры.
Преимуществами использования предлагаемого способа являются возможность проведения диагностики опор в период паводков, снижение трудозатрат на выполнение работ, возможность определения локализации дефекта путем анализа изменения углов наклона опор.
Таким образом, заявляемое изобретение повышает эксплуатационную надежность мостов за счет совершенствования метода своевременного обнаружения размывов опор на основе организации мониторинга частот свободных колебаний и углов наклона опор.