Измерение динамических характеристик мостовых сооружений виброанализатором «Вибран-3»

ОБЩЕТЕХНИЧЕСКИЕ ЗАДАЧИ И ПУТИ ИХ РЕШЕНИЯ

УДК 624.21.01

С. Ю. Каптелин, И. О. Кузнецова

Петербургский государственный университет путей сообщения

ИЗМЕРЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МОСТОВЫХ СООРУЖЕНИЙ ВИБРОАНАЛИЗАТОРОМ «ВИБРАН-3»

Рассмотрены методы определения параметров динамического воздействия на конструкции транспортных сооружений. Даны рекомендации по измерению динамических параметров транспортных сооружений с использованием прибора «Вибран-3» для обеспечения надежной и безопасной эксплуатации транспортных сооружений в районах с повышенным уровнем динамических воздействий.

динамические воздействия, резонанс, безопасность эксплуатации, динамические параметры, прибор для динамической диагностики.

Динамические воздействия на транспортные сооружения могут приводить к предельному состоянию конструкций. Наиболее опасны воздействия внешних переменных во времени нагрузок, способные привести к возникновению резонанса в элементах конструкций. Резонанс характеризуется резким и продолжительным возрастанием амплитуды колебаний несущих конструкций мостовых сооружений при совпадении их собственных частот колебаний с частотой воздействия внешних нагрузок. К такому эффекту может привести пульсация скоростного напора ветра, воздействие переменной транспортной и пешеходной нагрузки, турбуленция ветрового потока при обтекании элементов конструкции. При возникновении резонанса сооружение испытывает значительные вертикальные, поперечные или изгибно-крутильные колебания, способные привести к мгновенному разрушению или возникновению множественных дефектов, недопустимых для безопасной эксплуатации транспортного сооружения.

61

Для оценки способности мостового сооружения сопротивляться воздействию изменяющихся во времени нагрузок необходимо определить динамические характеристики пролетных строений и опор: период, частоту и амплитуду собственных и вынужденных колебаний, динамический коэффициент, логарифмический декремент колебаний. Все вышеуказанные параметры определяются по виброграммам, полученным при динамических испытаниях.

Виброграммы - диаграммы изменения во времени деформаций сооружения от динамической нагрузки, записываемые при помощи специальных портативных приборов - виброанализаторов.

Современным прибором, выпускаемым отечественной промышленностью для вибродиагностики конструкций пролетных строений, фундаментов, и других сооружений, а также для анализа реакции конструкций на ударные воздействия, является вибротестер «Вибран 3».

Основное назначение прибора - запись и анализ колебательных процессов различных объектов, поиск дефектов структуры изделий методом сопоставления реакций на ударное воздействие с эталонным спектром.

Прибор производит запись виброколебаний по четырём каналам в задаваемом временном интервале с ручным, внешним или автоматическим запуском по задаваемому пороговому уровню и определяет их состав по 200 линиям спектра.

Прибор может эксплуатироваться при температуре -10...+45 °C, относительной влажности воздуха до 80 % и атмосферном давлении 650.800 мм рт. ст. (86.106 кПа).

Диапазон измеряемых частот 2.1000 Гц позволяет производить измерения колебаний любых строительных объектов. При этом диапазон измерения виброскорости составляет 0,1-500 мм/с, что также является достаточным для динамических испытаний мостовых сооружений.

Маленькие габаритные размеры электронного блока - 160*120*30 мм и вибродатчиков - 25*35 мм, небольшой ток потребления - 120 мА и масса прибора с датчиками (0,5 кг) делают прибор очень удобным при испытаниях в полевых условиях.

Внешний вид прибора «Вибран-3» показан на рис. 1. В комплект входят 4 вибродатчика и электронный блок. Вибродатчики воспринимают механические колебания объекта контроля, преобразуют их в электрический сигнал и передают его в электронный блок. Электронный блок производит запись и последующую обработку полученных сигналов.

В результате измерений на дисплее прибора отображаются спектры Фурье записанных сигналов (рис. 2, а), а также велосиграмма - график зависимости виброскорости от времени (рис. 2, б).

Прибор «Вибран-3» имеет специальное программное обеспечение, предназначенное для переноса результатов измерений в компьютер, сохранения, просмотра, обработки, экспорта в Excel, а также печати отобранных

62

1 2 5 4 3

10J49*25 5 ингт

Ф 8ИБРАН- 3 Виброанализатор

Рис. 1. Портативный прибор для измерения вибраций «Вибран-3»:

1 - лицевая панель корпуса электронного блока управления; 2 - дисплей;

3 - клавиатура; 4 - разъемы для подключения вибродатчиков; 5 - разъем ШВ-интерфейса связи с компьютером; 6 - разъем для внешней синхронизации начала измерений; 7 - магнитное основание вибродатчика; 8 - малогабаритный съёмный щуп

а)

Рис. 2. Запись вибропроцесса:

а - спектры Фурье записанных сигналов; б - велосиграммы виброколебаний

результатов в виде таблиц с указанием времени и даты измерений, объекта контроля и других параметров. Программа связи позволяет выполнять измерения прибором, подключенным к компьютеру, с отображением результатов на мониторе.

Для анализа степени опасности колебаний удобнее работать не со скоростями, а с ускорениями, т. е. с акселерограммой процесса и спектром ответа. Ускорения позволяют сразу определить силы инерции и коэффициенты динамичности.

63

Для построения аксеолерограмм процессов специалистами ПГУПС разработана программа численного дифференцирования записи скоростей (1) и программа построения спектров ответа для записанных сигналов [1-4].

Данная методика была успешно применена для анализа результатов динамических испытаний опоры путепровода КАД в Санкт-Петербурге. Ве-лосиграммы, полученные при использовании прибора «Вибран-3», были преобразованы в соответствующие аналитические акселерограммы (рис. 3), которые более подробно и точно описывают вибропроцессы, происходящие в конструкции под действием динамических нагрузок.

Велосиграмма

Акселерограмма

Рис. 3. Фрагмент записи велосиграммы и вид аналитической акселерограммы, полученные при испытании опоры путепровода при проходе автотранспорта по сооружению

Детальное представление спектров ускорений (рис. 4) позволяет оценить фактические значения ускорений в определенные периоды времени испытаний и определить величину динамического коэффициента. Так, например, при проведении исследований было установлено, что фактические коэффициенты динамики, достигающие значения 3, значительно превышают нормативные значения.

На фрагменте акселерограммы, полученной при испытании опоры путепровода при проходе автотранспорта по сооружению и грузового поезда под ним, амплитуда ускорений на акселерограммах достигает значительных величин (до 4 м/с2). Согласно ГОСТ 31191.1-2004 «Вибрация и удар. Измерение общей вибрации и оценка её воздействия на человека», ч. 1, п. С.2.3, такие ускорения неприемлемы для нормальной эксплуатации сооружения.

В «Инструкции по расчету несущих конструкций промышленных зданий и сооружений на динамические нагрузки», п. 2.8 (ЦНИИ строительных

64

а)

Период колебаний, с

б)

Рис. 4. Детальный спектр ускорений для записи при проходе автотранспорта по эстакаде и грузового поезда под ней в диапазоне периодов: а - Т = 0,25-3 с; б - Т = 0,05-1 с

конструкций им. В. А. Кучеренко), указывается, что допустимые величины ускорений, регламентируемые технологическими и санитарно-гигиеническими требованиями, составляют 0,15 м/с2.

Вышесказанное позволяет сделать вывод о возможности эффективного применения прибора «Вибран-3» совместно с программным обеспечением, рассчитывающим акселерограммы вибропроцессов, для записи и анализа результатов динамических испытаний транспортных сооружений.

65

Библиографический список

1. Сейсмостойкое строительство : учебник / О. Н. Елисеев, А. М. Уздин. - СПб. : ПВВИСУ, 1997. - 371 с.

2. Основы теории сейсмостойкости и сейсмостойкого строительства зданий и сооружений / А. М. Уздин, Т А. Сандович. - СПб. : ВНИИГ им. Б. Е. Веденеева, 1993. - 176 с.

3. Инструкции по расчету несущих конструкций промышленных зданий и сооружений на динамические нагрузки / ЦНИИ строительных конструкций им. В. А. Кучеренко Госстроя СССР. - М. : ЛПС, 1970. - 288 с.

4. Сейсмостойкие конструкции транспортных зданий и сооружений : учеб. пособие / А. М. Уздин, С. В. Елизаров, Т. А. Белаш. - М. : Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте, 2012. - 500 с.

© Каптелин С. Ю., Кузнецова И. О., 2013

66