СПОСОБ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ БЛОЧНОГО ТИПА
NON-DESTRUCTIVE METHOD OF CONTROLLING QUALITY OF PRE-CAST CONCRETE STRUCTURES

Изобретение относится к области строительства, в частности к методам неразрушающего контроля и интегральной оценки качества железобетонных конструкций балочного типа при их изготовлении.
Известен способ определения прочности, жесткости и трещиностойкости железобетонных конструкций балочного типа [1, с.15-16; с.143-148], который заключается в установке конструкции на стенде, закреплении ее концов согласно условиям эксплуатации, возбуждении в ненагруженной конструкции поперечных колебаний, измерении частоты свободных или вынужденных резонансных колебаний и сопоставлении их с частотами колебаний, полученными для эталонной конструкции данного типа при тех же условиях закрепления ее концов.
Недостаток этого способа заключается в следующем. При использовании свободных поперечных колебаний основного тона в ненагруженной конструкции не обеспечивается полноценное проявление дефектов, особенно расположенных в приопорных зонах конструкции, колеблющихся с малыми амплитудами, и их влияние на измеряемые динамические параметры. По этой же причине использование только одного динамического параметра для оценки прочности, жесткости и трещиностойкости железобетонных конструкций не обеспечивает приемлемой точности и достоверности получаемых оценок.
Известен также способ неразрушающего контроля качества готовых железобетонных конструкций балочного типа с использованием продольных колебаний [2], принятый в качестве прототипа, который заключается в установке конструкции на стенде, закреплении ее концов согласно условиям эксплуатации, возбуждении в ненагруженной конструкции вынужденных продольных колебаний, измерении резонансной частоты и декремента этих колебаний и сопоставлении их с соответствующими динамическими параметрами, полученными для эталонной конструкции заданного типа при тех же режимах контроля и условиях закрепления ее концов.
Недостаток этого способа заключается в том, что при его использовании на измеряемую резонансную частоту и декремент колебаний железобетонных конструкций балочного типа не сказываются дефекты, которые проявляются при деформациях изгиба. Поэтому использование только этих динамических параметров не обеспечивает достоверности получаемых оценок.
Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в повышении информативности способа и достоверности получаемых интегральных оценок качества железобетонных конструкций балочного типа.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в способе неразрушающего контроля качества железобетонных конструкций балочного типа, заключающемся в установке конструкции на стенде, закреплении ее концов согласно условиям эксплуатации, возбуждении в конструкции колебаний на резонансной частоте, измерении этой частоты и декремента вынужденных колебаний, сопоставлении этих динамических параметров с соответствующими параметрами эталонной конструкции заданного типа при тех же режимах контроля и условиях закрепления, и определении по результатам сравнения показателей качества контролируемого изделия, для контролируемой конструкции производят спектральный анализ колебательного процесса, определяют первые четыре амплитуды колебаний и по ним вычисляют коэффициент нелинейных искажений.
Целесообразно также коэффициент нелинейных искажений определять при разных уровнях энергии возбуждения поперечных или продольных колебаний, строить графики «коэффициент нелинейных искажений - энергия вибровозбуждения» для эталонной и контролируемой конструкций и оптимальный уровень энергии возбуждения колебаний находить по максимальному расхождению этих кривых на начальном участке стабилизации.
Сущность изобретения поясняется чертежами, изображенными на фигурах 1…3.
ни
На фиг.1 представлена функциональная схема экспериментальной установки для измерения коэффициента нелинейных искажений К с использованием продольных (а) и поперечных (б) колебаний, где 1 - контролируемое изделие, 2 - излучатель механических колебаний, 3 - приемник механических колебаний, 4 - генератор синусоидальных колебаний, 5 - усилитель мощности, 6 - частотомер, 7 - цифровой вольтамперметр, 8 - предварительный усилитель, 9 - анализатор спектра, 10 - электронный осциллограф, 11 - равномерно распределенная нагрузка.
ни
На фиг.2 представлена зависимость К от мощности W, подводимой к вибровозбудителю колебаний, полученная по результатам испытаний железобетонных перемычек типа 8ПБ-13-1 с размерами 1190×120×90 мм при продольных (схема а) и поперечных (схема б) колебаниях.
ни
В основу предлагаемого способа контроля качества железобетонных конструкций балочного типа положено использование дополнительного динамического параметра - коэффициента нелинейных искажений, хорошо известного в радиотехнике и применяемого для оценки интегральной нелинейности колебательной системы. Коэффициент нелинейных искажений К определяется по спектральному составу колебательной системы по формуле [3]:
1
2
3
1
2
3
где A - амплитуда колебаний основного тона колебаний, A, А, … - амплитуды последующих гармоник. Анализ спектрального состава колебаний (определение величин A, A, А, …) можно осуществить при помощи специализированного измерительного прибора - анализатора спектра (например, типа СК4-56).
ни
Величина К численно отражает распределение энергии колебаний по их спектру между основным тоном и его гармониками. С физической точки зрения этот параметр характеризует интегральную нелинейность колебательной системы за один цикл простых гармонических колебаний.
ни
ни
Железобетон является нелинейным материалом. На нелинейность его физических свойств накладывается также и влияние всевозможных дефектов конструкции, приобретенных ею как при изготовлении, так и при эксплуатации. Предварительно напряженные железобетонные конструкции обладают невысокой степенью нелинейности (К≤10%), поэтому при их спектральном анализе вкладом гармоник выше четвертой в общий спектр колебаний можно пренебречь (ввиду малости их амплитуд). В этом случае для нахождения К рекомендуется пользоваться упрощенным выражением [3]:
Известно, что свойства, присущие кратным и некратным гармоникам частотного спектра колебательной системы, существенно различаются. Кратные гармоники имеют набор фиксированных значений частот, кратных основному тону, а некратные имеют непрерывный спектр, и их вклад в результирующие колебания незначителен. Это объясняется их различной природой. Кратные гармоники вызваны нелинейностью самой колебательной системы, а некратные - паразитной акустической эмиссией, обусловленной проявлением различных микродефектов в системе.
ни
Анализ частотного спектра нелинейных колебаний железобетонных конструкций позволяет изучить вопрос о распределении колебательной энергии по спектру между основным тоном и его кратными и некратными гармониками. Сопоставление же спектров колебаний контролируемой и эталонной конструкций по коэффициенту нелинейных искажений позволяет выявить степень влияния дефектов на изменение К и тем самым оценить уровень дефектности контролируемой конструкции.
ни
При использовании кривых К - W для анализа степени дефектности контролируемой конструкции интегральным показателем ее качества может служить величина расхождения кривых для серийного и эталонного изделий при конкретном значении энергии возбуждения поперечных колебаний.
ни
Способ осуществляется следующим образом. Контролируемую конструкцию 1 (см. фиг.1) устанавливают на специальном вибрационном стенде и закрепляют ее концы согласно принятой для данного изделия схемы закрепления. На противоположных поверхностях конструкции (в середине ее пролета) для возбуждения и регистрации изгибных механических колебаний устанавливают излучатель 2 (например, электродинамический вибровозбудитель) и приемник механических колебаний 3 (первичный преобразователь виброперемещений). Конструкцию нагружают некоторой равномерно распределенной нагрузкой 11. С помощью генератора синусоидальных колебаний 4 и усилителя мощности 5 возбуждают в конструкции колебания в требуемом диапазоне частот, поддерживая энергию этих колебаний строго на заданном уровне. При этом частоту и амплитуду электрического сигнала, подаваемого на вход вибровозбудителя поперечных колебаний 2, контролируют частотомером 6 и цифровым вольтамперметром 7. Сигнал с приемника механических колебаний усиливается с помощью предварительного усилителя 8, а с помощью анализатора спектра 9 снимают амплитудно-частотную характеристику контролируемой конструкции, по которой определяют резонансную частоту колебаний. Кроме того, в схему включен электронный осциллограф 10 для визуализации колебательного процесса. Далее в конструкции 1 возбуждают колебания на резонансной частоте при том же уровне энергии и определяют по частотному спектру резонансных колебаний величину коэффициента нелинейных искажений К, используя формулу (2).
ни
ни
Повторяя последние две операции, плавно увеличивают уровень вводимой энергии, начиная с минимального, до такого уровня, при котором происходит значительное увеличение параметра К, соответствующее переходу конструкции в стадию упругопластического деформирования. Затем строят зависимость К - W.
ни
Эту зависимость сопоставляют с аналогичной зависимостью, предварительно построенной для изделия-эталона, и по результатам сравнения (по расхождению кривых К - W) делают заключение о качестве контролируемой конструкции.
При воздействии продольных колебаний способ реализуется аналогично.
Пример реализации способа.
Для проведения испытаний была взята железобетонная перемычка типа 8ПБ-13-1 серийного изготовления, выполненная при тщательном контроле всех технологических операций и принятая за эталон. Перемычка была установлена на специальном стенде для проведения вибрационных испытаний по схеме шарнирно опертой по концам балки. К ней были подключены все приборы и устройства, указанные на фиг.1.
Проведя исследование выбранной за эталон конструкции в рассмотренной выше последовательности, были получены следующие результаты.
ни
При возбуждении поперечных колебаний: при уровнях вводимой энергии W=0,005, 0,01, 0,06, 0,12, 0,22, 0,33, 0,48, 0,66, 0,86 Вт были получены соответственно коэффициенты нелинейных искажений К=2,50, 2,60, 3,08, 4,23, 5,77, 7,50, 9,95, 11,82% (см. фиг.2,а).
ни
При возбуждении продольных колебаний: при уровнях вводимой энергии W=0,10, 0,35, 0,74, 1,31, 2,11, 3,00, 4,05, 5,28, 6,71, 8,38 Вт были получены соответственно коэффициенты нелинейных искажений К=1,52, 1,61, 2,28, 2,48, 3,43, 4,19, 4,95, 5,33, 6,09, 6,67% (см. фиг.2,б).
Далее перемычка была нагружена статической равномерно распределенной нагрузкой Р=2,25 кН/м, при которой появились трещины в ее нижней зоне. После разгрузки эта перемычка была использована в качестве дефектной.
Проведя исследование дефектной конструкции, были получены следующие результаты.
ни
При возбуждении поперечных колебаний: при уровнях вводимой энергии W=0,005, 0,01, 0,06, 0,12, 0,22, 0,33, 0,48, 0,66, 0,086 Вт были получены соответственно коэффициенты нелинейных искажений К=5,15, 6,62, 9,20, 12,14, 16,08, 18,40, 21,35, 23,55, 26,50% (см. фиг.2,а).
ни
При возбуждении продольных колебаний: при уровнях вводимой энергии W=W=0,10, 0,35, 0,74, 1,31, 2,11, 3,00, 4,05, 5,28, 6,71, 8,38 Вт были получены соответственно коэффициенты нелинейных искажений К=3,24, 5,90, 7,43, 8,95, 10,01, 10,67, 12,19, 13,14, 13,71, 14,28% (см. фиг.2-б).
Анализ кривых на фиг.2 показывает, что наиболее ощутимо нелинейные свойства железобетонных конструкций проявляются при воздействии поперечных (изгибных) колебаний, так как именно в этом случае достигаются наибольшие амплитуды колебаний, иногда приводящие к выходу конструкции за пределы зоны упругих деформаций. Кроме того, уровень вводимой энергии также существенно сказывается и на величине коэффициента нелинейных искажений. Можно говорить об оптимальном уровне вводимой энергии, который определяется стабилизацией расхождения кривых 1 и 2. Для поперечных колебаний этот уровень находится в диапазоне от 0,3 до 0,5 Вт, для продольных колебаний - в диапазоне от 4,0 до 6,0 Вт.
Приведенные результаты динамических испытаний железобетонных перемычек убедительно свидетельствуют о том, что коэффициент нелинейных искажений может быть использован как самостоятельный (или дополнительный) критерий для интегральной оценки их качества.
ни
Таким образом, технический результат - повышение информативности способа и достоверности получаемых интегральных оценок качества железобетонных конструкций балочного типа - достигается за счет использования, наряду с известными, нового динамического параметра - коэффициента нелинейных искажений, определяемого при воздействии на контролируемую конструкцию вынужденных поперечных или продольных колебаний в режиме резонанса, и измерения значений этого параметра при оптимальном уровне энергии возбуждения колебаний, устанавливаемом по максимальному расхождению кривых К - W для эталонной и контролируемой конструкций на начальном участке их стабилизации.
Источники информации
1. Сехниашвили Э.А. Интегральная оценка качества и надежности предварительно напряженных конструкций. - М.: Наука, 1988.
2. Патент РФ №2097727. Способ неразрушающего контроля качества готового железобетонного изделия. / Коробко В.И., Слюсарев Г.В. Опубл. в БИ №33, 1997.
3. Шкритек П. Справочное руководство по звуковой схемотехнике: Пер. с нем. - М.: Мир. 1991. С.30-42.