СПОСОБ ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ КОНУСОВ И УСТОЕВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ МОСТОВ В СЛОЖНЫХ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ (ВАРИАНТЫ)
METHOD TO ASSESS TECHNICAL CONDITION OF CONES AND ABUTMENTS OF RAILWAY BRIDGES UNDER COMPLICATED HYDROGEOLOGICAL CONDITIONS (VERSIONS)

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ
Изобретение относится к измерительной технике и эксплуатации железнодорожных мостов и может быть использовано при диагностике и оценке фактического и прогнозируемого технического состояния конусов, устоев и опирающихся на них пролетных строений (далее по тексту элементов конструкции).
Наиболее близким техническим решением является способ построения многопараметрических цифровых моделей строительных объектов, анализа и моделирования их состояния (варианты) патент №RU 2177144, включающий анализ проектной и нормативной документации на строительные конструкции, определение параметров сечений для инструментального обследования, установление критериев пригодности и их допустимые величины, проведение замеров и другого инструментального обследования, построение многопараметрических цифровых моделей строительных объектов, моделирование состояния конструкций путем варьирования параметрами и характеристиками материалов элементов объекта, сравнение полученных значений с допустимыми величинами и установка пригодности конструкции для дальнейшей безопасной эксплуатации. Однако в данном способе не достигается достаточной точности измерений при наименьшей трудоемкости построения многопараметрической цифровой модели элементов мостовой конструкции и отсутствует возможность обоснования оптимальных, по условиям сохранения устойчивости и обеспечения требований к долговечности, объемов и сроков ремонта ее элементов.
Технической задачей данного изобретения является повышение качества и точности проведения измерений и обследований и диагностики технического состояния элементов конструкции железнодорожных мостов.
Данный технический результат достигается тем, что по первому варианту способа оценки технического состояния конусов и устоев железнодорожных мостов в сложных гидрогеологических условиях, предварительно проводят анализ проектной и нормативной документации моста, устанавливают критерии устойчивости и их допустимые величины, выбирают сеть связанных базовых точек элементов конструкции, выверяют точность определения их координат относительно геодезического обоснования. Далее с помощью трех GPS-приемников и лазерного сканера, выполняют координатно-пространственное обоснование конусов и устоев, определяют горизонтальные и вертикальные углы и расстояния до каждой заданной точки конструктивных элементов, определяющих общий контур конструкции и. особенности геометрии составляющих ее частей. С использованием георадара проводят детальное инструментальное обследование насыпи, сопряженной с устоями моста на предмет внутренних размывов грунта в ее объеме, наличия пустот, определяют фактические параметры и характеристики материалов элементов конструкции и фактические параметры состояния и характеристики грунтового основания, определяют фактические значения параметров повреждений, дефектов и связей отдельных составляющих конструктивных элементов. На основании этих данных проводят построение многопараметрической цифровой модели конусов, устоев и схем их нагружения пролетными строениями и проходящим по мосту подвижным составом. После этого расчетным путем определяют техническое состояние и показатели устойчивости элементов конструкции и сравнивают их с допустимыми величинами. На основе этого сравнения устанавливают пригодность элементов конструкции моста для дальнейшей безопасной эксплуатации, возможные новые повреждения и недостаточность несущей способности, необходимые виды ремонта. В способе по второму варианту оценки технического состояния конусов и устоев железнодорожных мостов в сложных гидрогеологических условиях предварительно проводят анализ проектной и нормативной документации моста, устанавливают критерии устойчивости и их допустимые величины, выбирают сеть связанных базовых точек элементов конструкции, выверяют точность определения их координат относительно геодезического обоснования. Далее с помощью трех GPS-приемников и лазерного сканера, выполняют координатно-пространственное, определяют горизонтальные и вертикальные углы и расстояния до каждой заданной точки конструктивных элементов, определяющих общий контур конструкции и особенности геометрии составляющих ее частей. С использованием георадара проводят детальное инструментальное обследование насыпи, сопряженной с устоями моста на предмет внутренних размывов грунта в ее объеме, определяют фактические параметры и характеристики материалов элементов конструкции и фактические параметры состояния и характеристики грунтового основания, определяют фактические значения параметров повреждений, дефектов и связей отдельных составляющих конструктивных элементов. На основании этих данных проводят построение многопараметрической цифровой модели конусов, устоев и схем их нагружения пролетными строениями и проходящим по мосту подвижным составом. После этого расчетным путем определяют техническое состояние и конкретные критерии устойчивости элементов конструкции и сравнивают их с допустимыми величинами, моделируют их состояние путем варьирования значений параметров и характеристик материалов этих элементов моста и параметров и характеристик грунтового основания, вносят поправки в указанные значения параметров исходя из объемов предполагаемых восстановительных и ремонтных работ, на основании этих данных вводят поправки в многопараметрическую цифровую модель несущих элементов конструкции моста в соответствии с принятым кодированным описанием элементов, после чего проводят анализ состояния и поведения элементов конструкции на основе сравнения результатов расчета при фактических и моделируемых значениях параметров и характеристик и на основе этого сравнения устанавливают пригодность элементов конструкции моста для дальнейшей безопасной эксплуатации, возможные новые повреждения и недостаточность несущей способности, уточняют необходимые виды и объемы ремонта. Возможно, при проведении моделирования состояния перечисленных элементов конструкции, значения параметров и характеристик их состояния принимать в виде функциональных зависимостей и проводить оценку фактического и прогнозируемого состояния по критериям устойчивости и долговечности. При проведении обмерных работ с помощью лазерного сканера и трех GPS-приемников производится построение пространственной цифровой модели элементов конструкции, что позволяет получать более точные чертежи объектов без использования известного метода диагоналей и автоматически получать геометрические параметры элементов конструкции, выявлять их геометрические особенности и отклонения от заданной формы или, например, имеющейся технической документации; позволяет получать с заданной точностью толщины конструктивных элементов неразрушающим методом; предоставляется возможным получать срезы обмеряемых элементов под любым углом и их построение в качестве чертежной документации, вычислять линейные расстояния между элементами, не имеющими между собой прямой видимости, и определять площади поверхностей объекта и его объемов, как в целом, так и отдельных его частей. Кодированное описание элементов объектов и хранение данных натурных обмеров в виде цифровой пространственной модели позволяет автоматизировать процессы измерений и построений. Способ осуществляют следующим образом.
Сначала изучается и анализируется проектная и исполнительная документация обследуемого железнодорожного моста с целью определения его конструктивных особенностей при построении предварительной пространственной расчетной схемы и схемы нагружения элементов конструкции, и их идентификацией на соответствие имеющейся типовой электронной базе, а также планирования необходимого состава намечаемых работ, сбора необходимых исходных данных и характеристик. Нагрузки определяются в соответствии с действующим СНиПами СНиП 3.06.04-91, СНиП 2.03.01-84, СНиП 3.06.07-86 СНиП 3.03.01-87 и т.д.). Затем проводится визуально-аналитическое обследование моста с целью определения общего технического и физического состояния сооружения, определения фактических условий его эксплуатации, дополнительных внешних воздействий и нагрузок, возникших в результате отклонения от проекта, естественного старения и износа, воздействия опасных гидрологических факторов (подмыв, размыв, изменение русла реки, неудовлетворительная работа регуляционных сооружений) на элементы конструкции. В результате таких работ определяются: наличие и характеристики трещин, отколов и разрушений, состояние защитных покрытий, нарушения сцепления арматуры с бетоном, наличие разрыва арматуры, состояние анкеровки арматуры и т.д., т.е. дефекты, характерные для бетонных и железобетонных конструкций; состояние швов (качество, ширину, глубину) и наличие трещин (степень развития, наличие дополнительных деформаций), отклонение или выпучивание стен и т.п. для каменных и армокаменных конструкций; разрывы, потеря устойчивости, трещины, расшатывание соединений, вмятины, прогибы, деформации, искривления, изменения геометрических размеров и сечений, состояние антикоррозионного покрытия, состояние сварных, болтовых, заклепочных соединений, степени и характера коррозии элементов и соединений, отклонения элементов от проектного положения и т.д. для стальных конструкций; прогибы, деформации, прочностные показатели, влажностное состояние, биоповреждения (грибками, жуками), коррозия древесины и т.п.для деревянных конструкций.
Полученные таким образом характеристики фактического состояния (вышеперечисленные дефекты, отклонения от проекта, возникшие как в результате строительства, так и в результате естественного старения и эксплуатации) элементов конструкции моста обрабатываются и вносятся в базу данных его электронной модели в виде поправок, корректируя ее и максимально приближая к реальному объекту.
После проведения предварительного анализа проектной и исполнительной документации моста выполняются электронные обмеры элементов конструкции с использованием георадара. Модель и контуры элементов конструкции могут быть напрямую перенесены в среду AutoCAD (Autodesk, Inc., США), MicroStation (Bentley Systems, Inc., США), 3D StudioMax и других системах автоматизированного проектирования и. геоинформационных системах.
Создается геодезическое обоснование объекта относительно, по крайней мере для трех базовых точек, с одновременным уравниванием погрешностей с помощью лазерного сканера (тахеометра), например Leica Smart Station с уже встроенным GPS-приемником. После этого выбирается сеть связанных базовых точек внутри объекта, с выверкой точности определения их координат относительно геодезического обоснования (реперов моста), на основании которой создается координатно-пространственное обоснование. Инструментально (автоматически) определяются горизонтальные и вертикальные углы и расстояния до каждой заданной точки отдельных элементов конструкции моста и точек, определяются линейные размеры элементов конструкции и расстояния между точками контуров этих элементов конструкции относительно координатно-пространственного обоснования с одновременным кодированием описания и идентификацией элементов конструкции. На основании этих данных проводится построение пространственной цифровой модели элементов конструкции, определяется их пространственная расчетная схема и схема нагружения. Далее в результате проведения детального инструментального обследования рассматриваемых элементов конструкции моста устанавливаются фактические характеристики повреждений, дефектов и связей его отдельных составляющих элементов конструкции, определяются дополнительные нагрузки, фактические параметры коррозионного износа, прочности, модулей упругости и коэффициентов Пуассона, плотности, твердости, влажности, пористости, водопроницаемости, морозостойкости, трещиностойкости, известными методами контроля и измерений конструктивных элементов строительного объекта с внесением изменений и поправок в цифровую модель в соответствии с принятым кодированным описанием элементов конструкции.
Затем, в соответствии с кодированным описанием. элементов конструкции определяются характеристики имеющихся дефектов и повреждений, уточняется пространственная схема, проводится оценка общей устойчивости и жесткости.
С использованием георадара (например, георадарная система Professional Explorer) определяют степень подмыва, размыва конусов, объемы, в том числе и скрытых разрушений, пустот и повреждений грунтовых оснований. Определяются прочностные характеристики элементов конструкций при помощи неразрушающих методов. Так на основании методов упругого отскока, отрыва со скалыванием и отрыва, скалывания ребра и т.д. (ГОСТ 22690-88, ГОСТ 21243-75) определяются прочностные характеристики бетона и раствора (приборы SCHMIDT); на основании метода ультразвукового сканирования (ГОСТ 17624-87) определяются параметры трещин, а также прочностные показатели вышеназванных материалов (приборы БЕТОН - 22М, TICO, DMV DL); на основании метода электромагнитного зондирования (ГОСТ 22904-93) определяются толщины защитного слоя, состав и диаметры арматуры, взаимное ее расположение, (приборы PROFOMETER, ВОСН DMO 10); при помощи электромагнитных методов определяется степень коррозионного износа (CANIN, RESI). Использование эхо-импульсного метода позволяет определять толщины стенок конструкций из различных материалов неразрушающим методом (прибор А 1209). В соответствии с ГОСТ 9012-59, ГОСТ 9013-59 определяется твердость металлических элементов конструкций объекта (приборы К5-Д, ТЭМП 2, EQUOTIP). Определяется также проницаемость бетона, определяющая его долговечность (прибор TORRENT). Определяются характеристики дефектов (трещин, сколов и т.д.) бетона, кирпичных кладок (деформометры, мерные рейки).
Результаты обследований, данные электронных обмеров, свойства и характеристики материалов, полученные неразрушающими методами испытаний и в лабораторных условиях, обрабатываются и вносятся в базу данных электронной модели объекта, т.е. на основании полученной совокупности данных проводят построение многопараметрической цифровой. модели элементов конструкции моста. При проведении прогнозирования состояния значения параметров, характеристик свойств материалов элементов конструкции и их связей корректируют в соответствии с изменениями, возникающими при осуществлении ремонтных, восстановительных работ и реконструкции. Кроме того, при проведении прогнозирования изменения технического состояния в результате естественного старения и износа значения параметров, характеристики свойств материалов элементов конструкции и их связей принимают в виде функциональных зависимостей. На основании полученных данных проводят построение пространственных многопараметрических цифровых моделей элементов конструкции моста и схем их нагружения.
После этого расчетным путем определяют конкретные значения критериев устойчивости и долговечности элементов конструкции моста и сравнивают их с допустимыми величинами установленными ранее и нормативными. По первому варианту способа далее определяют фактические параметры и характеристики материалов элементов конструкции и фактические параметры состояния и характеристики грунтового основания, определяют фактические значения параметров повреждений, дефектов и связей отдельных составляющих конструктивных элементов. На основании этих данных проводят построение многопараметрической цифровой модели конусов, устоев и схем их нагружения пролетными строениями и проходящим по мосту подвижным составом. После этого расчетным путем определяют техническое состояние и показатели устойчивости и долговечности элементов конструкции моста и сравнивают их с допустимыми величинами. На основе этого сравнения устанавливают пригодность элементов конструкции для дальнейшей безопасной эксплуатации, возможные новые повреждения и недостаточность несущей способности, необходимые виды ремонта.
Для проведения анализа и определения возможных ремонтных, восстановительных работ и вариантов усиления элементов конструкции, а также для оценки потерь их несущей способности в результате полученных дефектов и повреждений, нарушении связей, а также прогнозирования дальнейшего поведения элементов конструкции в многопараметрических цифровых моделях моделируют их техническое состояние путем варьирования значений параметров и характеристик материалов этих элементов моста, параметров и характеристик грунтового основания, вносят поправки в указанные значения параметров исходя из объемов предполагаемых восстановительных и ремонтных работ, на основании этих данных вводят поправки в многопараметрическую цифровую модель несущих элементов конструкции моста в соответствии с принятым кодированным описанием элементов, после чего проводят анализ состояния и поведения элементов конструкции на основе сравнения результатов расчета при фактических и моделируемых значениях параметров и характеристик и на основе этого сравнения устанавливают пригодность элементов конструкции моста для дальнейшей безопасной эксплуатации, возможные новые повреждения и недостаточность несущей способности, уточняют необходимые виды и объемы ремонта.
Такой способ (и его варианты) позволяет провести разработку мероприятий по восстановлению эксплутационных качеств элементов конструкций железнодорожных мостов, а также моделирования поведения, анализа и прогнозирования их технического состояния после осуществления ремонтных и восстановительных операций, реконструкции или в результате естественного износа и старения.
В ходе проведения обследований технического состояния ответственных элементов конструкции мостов мостоиспытательными станциями и специализированными организациями данный способ позволяет повысить точность определения их фактической несущей способности, ускорить и упростить анализ документации и выработку рекомендаций по наиболее эффективным решениям на усиление и ремонт и (или) выдачи заключения по дальнейшей эксплуатации моста в целом. Оценка фактического и прогнозируемого состояния элементов конструкции принимается в виде функциональных зависимостей с использованием критериев устойчивости и долговечности.
Получение возможности моделирования и прогнозирования поведения элементов конструкции в результате естественного старения и износа, а также при осуществлении решений по их ремонту, восстановлению или реконструкции позволяет упростить и удешевить проведение инженерного мониторинга технического состояния с разработкой и поддержкой базы данных компьютерных версий экспертных систем диагностики, оценки состояния и прогнозирования при одновременном снижении трудоемкости производимых работ, в особенности при последующих обследованиях, благодаря уже созданной многопараметрической цифровой компьютерной модели элементов его конструкции. Данный способ предоставляет возможность использования его для моделирования и прогнозирования состояния элементов конструкции в будущем. Кроме того, данный способ позволяет в будущем проводить расчет системы "пролетные строения - фундамент - опоры" и определение технического состояния железнодорожного моста, как единого целого.