СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ СТАЛЕЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ПРОЛЕТНЫХ СТРОЕНИЙ
METHOD FOR DIAGNOSTICS OF TECHNICAL CONDITION OF STEEL REINFORCED CONCRETE SPANS

Предлагаемое изобретение относится к способам неразрушающего контроля технического состояния пролетных строений (ПС) и может быть использовано для контроля и диагностики сталежелезобетонных пролетных строений мостов.
Известен способ определения деформаций конструкции, на основании которых можно было оценить техническое состояние пролетного строения. Способ заключается в том, что для определения деформации конструкции используют датчики, например тензометры, которые устанавливают в заданных точках конструкции. Результаты измерения, например значения механических напряжений, полученные датчиками, направляют в блок обработки данных, в котором результаты измерений анализируют для получения значений деформации в различных точках измерения конструкции. При этом обработанные данные измерения преобразуют в цифровые сигналы и передают в главный блок измерительного устройства, а затем в блок обработки данных, снабженный коммуникационными устройствами, регулировочными блоками и аналитическими блоками. На стадии приема данных коммуникационные устройства принимают цифровые данные измерения из различных главных блоков и приводят в действие соответствующие независимые устройства. На стадии регулировки регулировочные устройства преобразуют полученные данные в мгновенные значения, например значения напряжения, а на стадии анализа аналитические блоки обрабатывают мгновенные значения переменных в течение заданного периода измерения (Международная заявка WO 161301, G01M 5/00).
Недостатком известного способа является необходимость установки большого количества тензодатчиков для определения прогибов изгибаемых элементов, которыми являются сталежелезобетонные пролетные строения. При этом требуется сложный аналитический аппарат для пересчета напряжений в прогибы конструкции, а при пересчете напряжений в прогибы конструкции при ограниченном количестве тензодатчиков возникает большая погрешность получаемых результатов.
Наиболее близким к предлагаемому решению по технической сущности и достигаемому результату является способ диагностирования технического состояния пролетных строений, включающий воздействия на пролетное строение динамической нагрузки с широким спектром частот, измерение при этом параметров механической вибрации с помощью акселерометров в контрольных точках пролетных строений, получение параметра диагностического признака и определение положения зоны аномального напряжения по изменению этого параметра на основе критерия. Контрольные точки выбирают на пролетном строении (ПС) попарно симметричными относительно продольной и поперечной осей симметрии ПС, в каждой контрольной точке закрепляют по три угловых акселерометра, причем измерительную ось одного из них ориентируют параллельно продольной оси ПС, другого - параллельно поперечной оси ПС, а третьего - перпендикулярно измерительным осям первого и второго, ПС подвергают воздействию симметричной относительно осей ПС динамической нагрузки, измеряют при этом среднее квадратичное значение (с.к.з.) выходного электрического сигнала каждого акселерометра, а в качестве параметра диагностического признака вычисляют значение отношения с.к.з. для каждой пары акселерометров в каждой паре контрольных точек. По величине отклонения отношения с.к.з. от единицы судят о наличии и местоположении неисправности (патент России №2194978; G01N 29/04, G01M 5/00).
Недостатком известного способа является необходимость предоставления перерывов в движении по мосту и большая трудоемкость работ, связанная с необходимостью большого количества перестановок акселерометров и повторных измерений. Кроме того, симметричные неисправности в пролетных строениях известным способом не диагностируются. Например, разрушенный по всей ширине поперечный шов омоноличивания железобетонных плит в сталежелезобетонном пролетном строении не будет искажать симметричную картину напряжений, соответственно известный способ не пригоден для диагностирования такого повреждения, оказывающего существенное влияние на грузоподъемность сооружения.
При разработке заявленного способа была поставлена задача уменьшить трудоемкость диагностирования технического состояния, повысить достоверность получаемых результатов и обеспечить возможность диагностирования поврежденности поперечных швов между железобетонными плитами в сталежелезобетонных пролетных строениях.
Поставленная задача решается за счет того, что в способе диагностики технического состояния пролетного строения (ПС), включающем воздействие на ПС динамической нагрузки с широким спектром частот, измерение при этом параметров механической вибрации с помощью акселерометров, получение параметра диагностического признака и определение наличия повреждения по изменению этого параметра, первоначально фиксируют с помощью установленных в одном сечении на верхнем поясе металлической балки в середине пролета диагностируемого ПС тензодатчиков параметр, характеризующий напряженно-деформированное состояние при нагружении ПС, например, проходящим поездом, а непосредственно после снятия нагрузки с диагностируемого ПС с помощью акселерометров, установленных на нижнем поясе металлической балки в середине диагностируемого ПС, фиксируют динамический параметр, а о техническом состоянии ПС судят по отклонению обоих упомянутых параметров от эталонных расчетных значений для исправного состояния ПС.
Предлагаемый способ иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 показана схема установки датчиков автоматизированной измерительной системы в середине пролета (1 - тензодатчики на верхнем поясе металлической балки; 2 - акселерометры на нижнем поясе), на фиг.2 показаны виброграммы колебаний, фиксируемых в процессе диагностики, на фиг.3 приведен график спектральной плотности мощности сигнала вибродатчика, на фиг.4 - график изменения напряжений в верхнем поясе при исправном и неисправном состояниях сталежелезобетонного пролетного строения длиной 27 м.
Тензодатчики устанавливают в одном сечении, расположенном в середине пролета. По показаниям тензодатчиков определяют максимальные деформации в поясах металлических балок под нагрузкой, находящейся на пролетном строении. Акселерометры устанавливают на нижнем поясе металлической балки в середине пролета, при этом должна быть обеспечена жесткая связь приборов с конструкцией. По показаниям акселерометров определяют виброускорения и соответствующие частоты собственных свободных колебаний после схода нагрузки с сооружения.
Для регистрации и записи виброграмм может быть использована автоматизированная измерительная система, в состав которой входят тензодатчики и вибродатчики-акселерометры. Момент схода поезда и начала свободных колебаний конструкции определяется на виброграммах по моменту начала затухания сигнала (на фиг.2 участок свободных колебаний выделен маркерами).
Собственные частоты колебаний пролетного строения определяются по графику спектральной плотности мощности, полученного от акселерометра сигнала. Значения собственных частот соответствуют максимумам функции спектральной плотности мощности и отражаются в виде пиковых значений на графике (фиг.3). Сдвиг максимумов (пиков) частот в сторону уменьшения по сравнению с расчетными значениями будет свидетельствовать о наличии повреждений. Подтверждением неисправности сталежелезобетонного пролетного строения будет наличие аномальных (существенно превышающих расчетные значения) напряжений в верхнем поясе металлической балки сталежелезобетонного пролетного строения (фиг.4).
В качестве примера практической реализации предлагаемого способа могут быть приведены результаты выполнения научно-исследовательской работы по комплексному обследованию и испытанию сталежелезобетонных пролетных строений на Дальневосточной железной дороге, выполненной ГОУ ВПО СГУПС в 2006-2007 г.г. Например, с применением предлагаемого способа были выявлены следующие неисправные пролетные строения:
1. Сталежелезобетонное пролетное строение (длина 23 м) на 2512 км Тында - Ургал-1: напряжения в верхнем поясе измеренные 56 МПа при эталонных значениях 10 МПа; частоты собственных колебаний 2,39 Гц при эталонных значениях 5,52 Гц.
2. Сталежелезобетонное пролетное строение (длина 27 м) на 2533 км Тында - Ургал-1: напряжения в верхнем поясе составили 102 МПа при эталонных значениях 15 МПа; частоты собственных горизонтальных колебаний 2,39 Гц при эталонных значениях 5,64 Гц.
Детальное обследование и испытание указанных пролетных строений подтвердили, что они находятся в неисправном техническом состоянии и имеют поврежденные поперечные швы омоноличивания железобетонных плит.
Экономическая эффективность при внедрении предлагаемого способа в практику складывается из сокращения трудоемкости испытаний пролетных строений для оценки технического состояния на 75%. Получение достоверной и объективной информации по состоянию сооружений позволит предотвратить возникновение нештатных ситуаций и оптимизировать сроки выполнения ремонтов. Основными показателями технической эффективности использования технологического комплекса являются:
- повышение безопасности движения поездов за счет внедрения предлагаемого способа диагностики;
- определение необходимости и достаточности объемов ремонтных работ для обеспечения безопасности движения.