СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ ПРЕДНАПРЯЖЕННЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ПРОЛЕТНЫХ СТРОЕНИЙ БАЛОЧНОГО ТИПА
DIAGNOSTIC TECHNIQUE FOR BEAM TYPE PRESTRESSED CONCRETE SUPERSTRUCTURES

Предлагаемое изобретение относится к способам неразрушающего контроля технического состояния пролетных строений (ПС) и может быть использовано для контроля и диагностики преднапряжения арматуры в железобетонных балках и пролетных строениях мостов.
Известен способ измерения натяжения арматуры (см. патент РФ №2372593), заключающийся в том, что арматуру помещают между рычагами с индентором, устанавливают необходимый зазор глубины внедрения индентора регулируемыми ограничителями, прикладывают посредством указанных рычагов сжимающее усилие, внедряют индентор в арматуру с возможностью измерения усилия, необходимого для внедрения индентора в арматуру, сравнивают показания индикатора на ненапряженной и напряженной арматуре, на основании которых делают вывод о степени натяжения арматуры.
Недостаток этого способа заключатся в том, что он не дает возможности определить величину преднапряжения арматуры, находящейся внутри готовой конструкции.
Известен также способ определения величины предварительного напряжения в арматурных стержнях с передачей усилия преднапряжения на ее торцы (патент РФ №2217748), принятый в качестве прототипа, заключающийся в возбуждении свободных колебаний в конструкции до и после напряжения арматуры, измерении соответствующих основных частот колебаний и аналитическом определении интегральной величины преднапряжения арматуры с учетом этих частот колебаний, суммарной площади арматурных стержней, их длины, веса конструкции и эксцентриситета приложения усилия преднапряжения относительно нейтральной оси сечения, при этом испытываемую конструкцию нагружают равномерно распределенной нагрузкой, измеряют основную частоту колебаний в нагруженном состоянии и определяют величину преднапряжения арматуры по формуле:
Основным недостатком данного способа является ограниченная область его использования: диагностика преднапряженных железобетонных конструкций балочного типа с натяжением арматуры на бетон. Также недостатками является трудоемкость измерений частоты колебаний до и после натяжения арматуры и загружение распределенной нагрузкой сооружения; учет не всех потерь преднапряжения согласно Приложению Ρ (см. СП 35.13330.2011. Мосты и трубы).
Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в повышении точности определения величины преднапряжения арматуры, находящейся в конструкции балочного типа, независимо от способа ее натяжения (на бетон, на упоры), учета всех потерь преднапряжения арматуры, согласно Приложению Р (см. СП 35.13330.2011. Мосты и трубы); упрощении способа определения преднапряжения арматуры.
Способ диагностики преднапряженных железобетонных пролетных строений балочного типа, заключающийся в возбуждении свободных колебаний в конструкции после преднапряжения арматуры и измерении основной частоты колебаний, отличающийся тем, что на конструкцию воздействуют сосредоточенной динамической ударной нагрузкой, и определяют аналитическую величину собственной частоты колебаний конструкции с учетом прогнозируемой расчетной величины напряжения в середине пролета в верхней сжатой фибре балочной конструкции, силы предварительного натяжения в арматуре, модуля упругости, расчетной длины арматуры, расстояния от нейтральной оси до сжатой фибры, силы Эйлера по формуле:
<mrow><mi>ω</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>10,95</mn></mrow><mi>l</mi></mfrac><msqrt><mrow><mfrac><mrow><mi>E</mi><mi>y</mi></mrow><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>−</mo><mfrac><mrow><msub><mi>N</mi><mi>p</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>Р</mi><mrow><mi>э</mi><mi>л</mi><mo>.</mo></mrow></msub></mrow></mfrac><mo stretchy="false">)</mo><msub><mi>σ</mi><mrow><mi>П</mi><mi>Н</mi><mi>Ж</mi><mi>Б</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow></msqrt></mrow>
,
эл
пнжб
p
где y - расстояние от нейтральной оси до крайней сжатой фибры; Ε - модуль упругости бетона; Р - сила Эйлера, l - расчетная длина арматуры; σ - расчетное нормальное напряжение в середине пролета в крайней сжатой фибре; Ν - расчетная продольная сила от предварительного натяжения арматуры с учетом потерь в середине пролета (определяемая согласно Приложению Ρ см. СП 35.13330.2011. Мосты и трубы) и о величине преднапряжения арматуры, находящейся в балочной конструкции, судят по отклонению измеренной основной частоты колебаний от аналитической частоты колебаний.
<mrow><mi>ω</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>10,95</mn></mrow><mi>l</mi></mfrac><msqrt><mrow><mfrac><mrow><mi>E</mi><mi>y</mi></mrow><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>−</mo><mfrac><mrow><msub><mi>N</mi><mi>p</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>Р</mi><mrow><mi>э</mi><mi>л</mi><mo>.</mo></mrow></msub></mrow></mfrac><mo stretchy="false">)</mo><msub><mi>σ</mi><mrow><mi>П</mi><mi>Н</mi><mi>Ж</mi><mi>Б</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow></msqrt></mrow>
Способ реализуется следующим образом. В контролируемой балке возбуждают свободные колебания после преднапряжения арматуры, воздействуя на конструкцию сосредоточенной динамической ударной нагрузкой, приложенной в середине пролета, например, падающим с высоты 0,1-0,6 м и не превышающим 100 кГ грузом. В режиме свободных колебаний измеряют основную частоту колебаний балки, используя все необходимые геометрические и физические параметры балки, подставляют их в формулу
,
и определяют величину аналитической собственной частоты колебаний. Затем по отклонению измеренной частоты колебаний от аналитической судят о величине преднапряжения арматуры.
Пример реализации способа
Была проведена диагностика типовой преднапряженной железобетонной балки, полной длиной 33 м с предварительно напрягаемой арматурой применительно к типовым конструкциям Союздорпроекта серии 3.503.1-81 инв. №100 (выпуск 7-1). В контролируемой балке возбудили свободные колебания, воздействуя на нее сосредоточенной динамической ударной нагрузкой, приложенной в середине пролета упавшим с высоты 0,25 м и массой 77 кГ грузом. В режиме свободных колебаний измерили с помощью вибродатчиков-акселерометров автоматизированного измерительного комплекса «Тензор МС» (разработка НИЛ «Мосты» СГУПС) собственную частоту колебаний балки, которая составила 4,10 Гц. Геометрические и физические характеристики балки взяты из типового проекта. Расчет прогнозируемого предварительного напряжения арматуры для этой балки (в стадии эксплуатации) производился по Приложению Ρ (см. СП 35.13330.2011. Мосты и трубы) и его значение составило 836,8 МПа. Подставив значение геометрических и физических характеристик и значение прогнозируемого предварительного напряжения арматуры в заявляемую формулу, определили аналитическую частоту колебаний, которая составила 4,04 Гц. Сравнение измеренной и аналитической частоты вертикальных колебаний балки свидетельствует о том, что потери напряжений полностью не завершились. Контролируемая балка может быть допущена к эксплуатации.
Преимущества предлагаемого способа перед способом-прототипом заключаются в возможности определения величины преднапряжения арматуры в преднапряженной железобетонной конструкции при любом способе натяжения арматуры (на упоры, на бетон); возможности учета всех потерь преднапряжения арматуры, согласно Приложению Ρ (см. СП 35.13330.2011. Мосты и трубы); упрощении определения преднапряжения арматуры по частоте собственных колебаний балочных конструкций.