СПОСОБ КОМПЛЕКСНОГО КОНТРОЛЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ БЕТОНА ПЛОТИН
METHOD OF COMPREHENSIVE MONITORING OF STRESS-DEFORMED STATE OF DAM CONCRETE

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для контроля напряженно-деформированного состояния (НДС) гидротехнических сооружений, например плотин гидроэлектростанций, а также контроля прочности бетона эксплуатируемых предварительно напряженных железобетонных конструкций пролетных строений мостов, путепроводов и других протяженных конструкций с напряжением арматуры в одном направлении и постоянно сжатых зонах.
Известно техническое решение «Способ извлечения информации о напряженно-деформированном состоянии (НДС) гидротехнических сооружений» (Пат. РФ №2280846. Опубл. В Б.И. №21 от 27.07.2006, аналог), заключающийся в возбуждении струнных датчиков, установленных в теле плотины, последовательностью коротких видеоимпульсных сигналов и измерении частоты собственных колебаний струны, путем спектрального анализа. По результатам спектрального анализа выбирают наиболее характерную моду собственных колебаний струнных датчиков, которые снова возбуждают последовательностью радиоимпульсов длительностью, не менее чем в 10 раз большей длительности видеоимпульса и несущей на характерной моде, перестраивают по этим модам приемник и далее измеряют частоту собственных колебаний, возбужденных последовательностью радиоимпульсов, по которой судят о силе давления НДС.
Основной недостаток струнных датчиков, вмонтированных в тело плотины, обусловлен их старением, появлением на струне ржавчины, усталости металла, нарушением герметичности, электрических утечек в цепи возбуждения, измеряемая собственная частота колебаний уже не дает однозначного результата об измеряемой силе НДС. Полезный сигнал в десятки раз ослабевает по амплитуде, а в ее спектре появляются дополнительные моды колебаний, отличные от основной частоты.
Известно также техническое решение «Способ ультразвукового контроля прочности бетона в конструкциях и сооружениях в процессе эксплуатации» (Пат. РФ №2262692. Опубл. 20.10.2005, прототип), по которому ультразвуковой контроль прочности бетона в конструкциях и сооружениях в процессе эксплуатации включает измерение времени и скорости распространения ультразвука не менее чем в десяти участках контролируемой зоны конструкции, вычисление средней и максимальной скоростей ультразвука в контролируемой зоне, выбуривание в конструкции и испытание кернов с последующим определением значений прочностей в участках, имеющих соответственно среднее и максимальное значение скорости ультразвука, а также расчетное определение прочности бетона на сжатие в участках контролируемой зоны конструкции, при этом определяют влажность бетона в намеченных участках конструкции и устанавливают среднюю и максимальную влажности бетона в контролируемой зоне, а прочность бетона по классу прочности на сжатие до В25 рассчитывают в соответствии с математической формулой.
Наиболее существенным недостатком этого способа является недостаточная точность контроля прочности бетона, обусловленная отсутствием средств, позволяющих с высокой точностью контролировать влажность бетона, что обуславливает погрешность измерения времени распространения в нем ультразвука или сейсмической волны.
Задачей предлагаемого технического решения является устранение отмеченных недостатков, а именно повышение эффективности извлечения информации о НДС гидротехнических сооружений.
Поставленная задача решается тем, что в Способ комплексного контроля напряженно-деформированного состояния бетона плотин, включающий измерение времени и скорости распространения ультразвука на участках контролируемой зоны конструкции, дополнительно подключают к контролируемому участку галереи генератор высокочастотных электрических сигналов, устанавливают парами датчики сейсмических волн Релея и датчики электромагнитного поля, содержащие две ортогонально расположенные индукционные приемные катушки, причем датчики, входящие в пары, устанавливают в непосредственной близости друг от друга, а пары датчиков размещают с заданным интервалом по контролируемому участку галереи, измеряют наведенные в индукционных приемных катушках ЭДС, из отношений которых вычисляют сдвиг фаз (тангенс угла потерь) высокочастотного сигнала в бетоне из равенства
<mrow><mi>ϕ</mi><mo>=</mo><mi>arccos</mi><mfrac><mrow><msub><mi>E</mi><mi>x</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>E</mi><mi>z</mi></msub></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mi>г</mi><mi>д</mi><mi>е</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
x
E - ЭДС в катушке, параллельной стене галереи;
z
E - ЭДС в катушке, перпендикулярной к стене галереи.
Через фазовый сдвиг определяют коэффициент влажности бетона в зоне расположения пар датчиков (электромагнитных и сейсмических). По результатам измерений времени и скорости распространения сейсмических волн на участках между парами датчиков контролируемой зоны галереи рассчитывают прочность бетона, вводя поправки на коэффициент влажности. Зависимость угла фазового сдвига ЭДС в индукционных датчиков от влажности бетона получают экспериментально в лаборатории на смачиваемых образцах бетона соответствующей марки.
Существенным отличием и новизной предлагаемого технического решения является то, что дополнительно подключают к контролируемому участку галереи генератор высокочастотных электрических сигналов и устанавливают парами - датчики сейсмических волн Релея и датчики электромагнитного поля, содержащие две ортогонально расположенные индукционные приемные катушки, причем датчики, входящие в пары, устанавливают в непосредственной близости друг от друга, а пары датчиков размещают с заданным интервалом по контролируемому участку галереи, измеряют наведенные в индукционных приемных катушках ЭДС, из отношений которых вычисляют сдвиг фаз (тангенс угла потерь) высокочастотного сигнала в бетоне. Данное техническое решение позволяет осуществить автоматическую коррекцию результатов контроля прочности бетона по времени и скорости распространения сейсмических волн в бетоне с учетом его влажности. Коэффициент поправки на влажность определяется по углу сдвига фаз высокочастотного сигнала в бетоне в точках расположения датчиков приема сейсмических сигналов. Фазовый метод измерения времени запаздывания распространения сигнала в бетоне плотины позволяет получить высокую точность физических характеристик бетона и динамику их изменения в режиме реального времени.
1
n
1
n
1
n
1
n
1
n
1
n
1
n
1
n
1
На фигуре 1 представлена функциональная схема устройства, реализующего способ комплексного контроля напряженно-деформированного состояния бетона плотин, где приняты следующие обозначения: излучатель сейсмических сигналов -1; приемные датчики сейсмических сигналов -2-2 и 2'-2'; электромагнитные датчики 3-3 и 3' и 3'; нормализаторы сейсмических сигналов - 4-4 и 4'-4'; нормализаторы электромагнитных сигналов - 5-5 5'-5'; адресный коммутатор входных сигналов - 6; аналого-цифровой преобразователь (АЦП) - 7; микропроцессор - 8; генератор высокочастотных электрических сигналов (ВЭС) - 9; генератор сейсмических сигналов (ГСС) - 10; силовой коммутатор высокочастотных электрических сигналов - 11; правая и левая сторона заземления в бетоне галереи - 12, 12'; заземление в центре бетонной галереи - 13; бетонная галерея плотины - 14; точка подключения (А) генератора сейсмических сигналов (10) к излучателю (1) сейсмических сигналов.
1
n
1
n
1
n
Устройство работает следующим образом: при включении устройства устанавливают очередность контроля левой и правой части галереи плотины. При установке первой контролируют правую часть галереи плотины, с микропроцессора (8) сигнал управления подается на генератор высокочастотных электрических сигналов (ВЭС) (9), выход которого через силовой коммутатор ВЭС (11), управляемый сигналом с микропроцессора (8), подключают к правой (12) стороне заземления в бетоне галереи. В датчиках электромагнитного поля (3-3), установленных на теле галереи, содержащих две ортогонально расположенные индукционные приемные катушки, наводится ЭДС, содержащая информацию о физических характеристиках (влажности) бетона. Выходы датчиков электромагнитного поля (3-3) соединены через нормализаторы электромагнитных сигналов - (5-5), адресный коммутатор входных сигналов (6) и АЦП (7) с микропроцессором (8). В микропроцессоре (8) через вычисление отношений наведенных в катушках ЭДС измеряют сдвиг фаз (тангенс угла потерь) высокочастотного сигнала в бетоне и через него определяют влажность бетона в зоне расположения электромагнитных датчиков.
Влажность бетона определяется через отношение ЭДС в ортогональных измерительных катушках и по сдвигу их фаз
<mrow><mi>ϕ</mi><mo>=</mo><mi>arccos</mi><mfrac><mrow><msub><mi>E</mi><mi>x</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>E</mi><mi>z</mi></msub></mrow></mfrac><mo>;</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
x
где E - ЭДС в катушке, параллельной стене галереи;
z
E - ЭДС в катушке, перпендикулярной к стене галереи.
При работе генератора (9) выходной сигнал на частотах порядка единиц МГц подводится через коммутатор (11) и оплетку кабеля (X) к точкам заземления (0) и (12 или 12*) на галерее. Наведенные токи проводимости, проходящие через бетон, сильно зависят от влажности бетона и существенно превышают токи смещения. В этом случае величина контролируемой зоны влажности бетона определяется глубиной слоя скип-эффекта (δ для рабочей частоты ω тока генератора (9).
<mrow><mi>δ</mi><mo>=</mo><msqrt><mrow><mfrac><mn>2</mn><mrow><mi>ω</mi><msub><mi>μ</mi><mn>0</mn></msub><mi>G</mi></mrow></mfrac></mrow></msqrt><mo>;</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где ω=2πf; f - рабочая частота генератора, Гц;
0
-7
µ=4π·10 - магнитная проницаемость бетона, Гн/м,
G - электропроводность бетона, См/м.
Из равенства (2) определяется необходимая рабочая частота генератора (9) для заданного значения глубины зоны контроля.
<mrow><mi>f</mi><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mi>π</mi><msub><mi>μ</mi><mn>0</mn></msub><mi>G</mi><msub><mi>δ</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
.
Например, при G=0,01 См/м; δ=5 м; f=1 МГц.
Зависимость электропроводности бетона от влажности можно получить экспериментально в лаборатории на смачиваемых образцах бетона соответствующей марки.
1
n
1
n
1
n
Затем по сигналу с микропроцессора (8) включают генератор сейсмических сигналов (10), выход которого (точка А) подключен к излучателю сейсмических сигналов (1). Распространяющийся по бетону галереи сейсмический сигнал регистрируют приемные датчики сейсмических сигналов (2-2), выходы которых соединены через нормализаторы сейсмических сигналов (4-4), адресный коммутатор входных сигналов (6) и АЦП (7) с микропроцессором (8). В микропроцессоре (8) через вычисление времени запаздывания сейсмического сигнала между двумя соседними сейсмоприемниками (2-2) определяют величину НДС, с учетом измеренных ранее электрических параметров бетона с помощью высокочастотного сигнала.
Аналогичен режим работы устройства при определении физических характеристик бетона левой части галереи плотины.
Особенностью предложенного устройства контроля напряженно-деформированного состояния бетона плотин является применение высокочастотного метода контроля влажности бетона, что существенно повышает точность определения прочности бетона в конструкциях сооружений в процессе эксплуатации.
Предлагаемое устройство может быть реализовано промышленным способом.