СПОСОБ КОНТРОЛЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ МАССИВНЫХ БЕТОННЫХ СООРУЖЕНИЙ ПРИ ДЛИТЕЛЬНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ
METHOD OF CONTROL OF THE STRESS AND STRAIN STATE OF STRUCTURAL COMPONENTS OF MASSIVE CONCRETE STRUCTURES DURING LONG-TERM USAGE

Изобретение относится к средствам мониторинга и может найти применение при контроле состояния массивных бетонных сооружений, преимущественно таких, как высокие бетонные плотины, и может быть использовано для текущей оценки и прогноза безопасной эксплуатации зданий и/или сооружений при выходе из строя закладной контрольно-измерительной аппаратуры.
Известен способ анализа напряженно-деформированного состояния зданий, сооружений и других, протяженных по вертикали объектов на неравномерно сжимаемых грунтах путем измерения деформации и/или напряжения в основных и дополнительных элементах строения в процессе возведения, причем измерения напряжений и деформаций производят после возведения каждой группы этажей надземного строения, далее определив напряженно-деформированное состояние строения и произведя оценку допустимости возникших осадок и напряжений к моменту измерений, фактических деформационных и прочностных характеристик грунтов оснований, ожидаемых значений напряжений и осадок к моменту возведения строения, судят о необходимости и об объемах дополнительных строительных работ (патент РФ №2476642, МПК: Е02D 3/12, опубл. 27.02.2013 г.).
Недостатком данного способа является необходимость наличия достаточного количества функционирующей контрольно-измерительной аппаратуры.
Также известен способ оценки состояния бетонных плотин, включающий определение величин деформаций и напряжений в конструктивных элементах бетонных контрфорсных плотин при помощи регрессионных зависимостей и методов идентификации параметров конечно-элементных расчетных моделей (Электронный ресурс:Statisticalanalysisandstructuralidentificationinconcretedammonitoring. A. DeSortisa, P. Paoliani, издательство Elsevier, журнал EngineeringStructures 29 (2007), стр. 110-120).
Недостатком данного способа является то, что в результате его применения определяются не непосредственно значения напряжений/деформаций, за которыми осуществляются наблюдения, а идентифицированные параметры конечно-элементной модели. Для целей мониторинга этот способ неэффективен.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ мониторинга безопасности несущих конструкций, конструктивных элементов зданий и сооружений по патенту РФ №2413193 (МПК: G01M 7/00, опубл. 27.02.2011 г.), включающий создание компьютерных моделей сооружения, моделей нагрузок и воздействий на него, расчет характеристик несущих конструкций с формированием матрицы граничных значений этих характеристик и определении категорий состояния здания и показателей изменения состояния несущих конструкций и точек несущих конструкций, критически важных для безопасности сооружения. При этом производят измерения с помощью датчиков, установленных в критически важных точках, интегральных характеристик несущих конструкций, производят сбор и обработку данных с датчиков и сравнивают измеренные интегральные характеристики с элементами матрицы граничных значений этих характеристик. По результатам сравнения осуществляют категорирование состояния сооружения и отображают средствами отображения информацию о текущей категории состояния сооружения, в случае наступления критически важных ухудшений состояния безопасности несущих конструкций сооружения осуществляют передачу информации потребителям по каналам связи. При этом проводят периодическую проверку и настройку системы с помощью блока нагружения непрерывного действия, размещенного в критически важной точке и вырабатывающего сигнал нагружения и опроса датчиков системы, и проводят обработку полученной информации.
Недостатком данного способа является невозможность оценивать значения деформаций/напряжений в конструктивных элементах сооружения в отсутствие показаний контрольно-измерительной аппаратуры.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, состоит в повышении надежности эксплуатации конструктивных элементов массивных бетонных сооружений и обеспечении мониторинга напряжений в них в случае выхода из строя закладной контрольно-измерительной аппаратуры.
Для достижения указанного технического результата в способе контроля напряженно-деформированного состояния конструктивных элементов массивных бетонных сооружений при длительной эксплуатации, включающем создание компьютерных моделей сооружения, моделей нагрузок и воздействий на него, расчет характеристик несущих конструкций, сбор и обработку данных с контрольно-измерительной аппаратуры, данные натурных наблюдений по контрольно-измерительной аппаратуре, например закладных тензометров, восстанавливают по разработанной статистической модели с использованием расчетных значений напряжений в локальных точках массивного бетонного сооружения, полученных на имитационной математической модели, откалиброванной по значениям интегральных диагностических показателей сооружения, и данных наблюдений за сооружением в период, предшествующий выходу из строя контрольно-измерительной аппаратуры, по формуле:
где σ - напряжения в локальных точках массивных бетонных сооружений,
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
2
ƒ - функционал в виде ƒ(x)=A+B⋅x+C⋅x, где A, B, C - коэффициенты регрессионной последовательности,
i
x - массив исходных данных, включая нагрузочные параметры и расчетные значения напряжений в локальных точках бетонного массива.
Кроме того, заявленное решение имеет факультативный признак, характеризующий его частный случай, а именно:
- для высокой бетонной плотины зависимость для деформаций в фиксированной точке напорной грани рассчитывают по формуле:
1
1
1
2
2
3
2
2
ε=А+В⋅УВБ+С⋅УВБ+В⋅Т+С⋅Т+В
где УВБ - уровень верхнего бьефа,
Т - температура в фиксированной точке массива бетона плотины,
КЭ
σ - значение напряжений, рассчитанное при помощи разработанной имитационной модели высокой бетонной плотины в фиксированной точке.
Отличительной особенностью предложенного способа является использование имитационной математической модели, в которой расчетную величину каждого диагностического показателя определяют путем суммирования взвешенных расчетных значений данного параметра, полученных на конечно-элементной модели под действием гидростатической нагрузки и температурного воздействия; также используют расчетные значения напряжений в локальных точках массивного бетонного сооружения, в местах, соответствующих установке вышедшего из строя закладного тензометра. В ходе калибровки имитационной модели для каждого диагностического показателя подбирают ряд уникальных весовых коэффициентов (коэффициент перед гидростатической составляющей и ряд коэффициентов, используемых при формировании температурной составляющей параметра). Использование нескольких коэффициентов для формирования температурной составляющей позволяет учесть влияние температурного воздействия.
Предлагаемый способ поясняется графиками фиг. 1-4 и таблицей фиг. 5.
На фиг. 1 показаны натурные и расчетные на конечно-элементной модели деформации в розетке 155; секция 33, отм. 504 м, низовая грань (РОНГ 27 м) плотины Саяно-Шушенской ГЭС.
На фиг. 2 - деформации в розетке 151; секция 33, отм. 504 м, верховая грань (РОНГ 1,2 м) плотины Саяно-Шушенской ГЭС.
На фиг. 3 - деформации в розетке 155; секция 33, отм. 504 м, низовая грань (РОНГ 27 м) плотины Саяно-Шушенской ГЭС (расчетные - синяя линия, фактические - красная линия).
На фиг. 4 - деформации в розетке 151; секция 33, отм. 504 м, низовая грань (РОНГ 27 м) плотины Саяно-Шушенской ГЭС (расчетные - синяя линия, фактические - красная линия).
На фиг. 5 - таблица. Коэффициенты регрессивной зависимости для определения деформаций в розетке 151 и 155.
Способ осуществляется следующим образом.
При выходе из строя контрольно-измерительной аппаратуры, например закладных тензометров, применяют имитационную математическую модель, которая включает в себя как результат регрессионного анализа данных наблюдений за сооружением в период, предшествующий выходу из строя контрольно-измерительной аппаратуры, так и результаты конечно-элементного моделирования.
При проведении контроля напряжений в конструктивных элементах массивных бетонных сооружений строят имитационную математическую модель, которая отражает индивидуальные особенности системы «сооружение-основание», и которая откалибрована по интегральным диагностическим показателям для обеспечения наилучшего соответствия поведения разработанной модели поведению реального сооружения.
Собирают базу данных натурных наблюдений и проводят анализ напряжений в локальных точках массивных бетонных сооружений, требующих восстановления показаний, и выбирают длительный временной интервал с устойчивым изменением измеренных величин.
С помощью контрольно-измерительной аппаратуры, установленной на сооружении, проводят измерения основных нагрузочных параметров, например температуры Т в массиве бетона в нескольких контрольных точках или для массивных бетонных плотин отметку уровня верхнего бьефа УВБ.
На основе подготовленных массивов данных на выбранном промежутке (базовой последовательности) строят статистическую модель по формуле:
i
где x - массив исходных данных, включая нагрузочные параметры и расчетные значения напряжений в локальных точках бетонного массива,
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
2
ƒ - функционал в виде ƒ(x)=A+B⋅x+C⋅x, где A, B, C - коэффициенты регрессионной последовательности.
i
i
i
Коэффициенты регрессионной последовательности A, B, C подбирают методом наименьших квадратов, минимизируя отклонения расчетных значений напряжений σ от натурных на элементах обучающей последовательности.
Для высоких бетонных плотин зависимость для деформаций в фиксированной точке напорной грани рассчитывают по формуле:
1
1
1
2
2
3
2
2
ε=А+В⋅УВБ+С⋅УВБ+В⋅Т+С⋅Т+В
где УВБ - уровень верхнего бьефа,
Т - температура в фиксированной точке массива бетона плотины,
КЭ
σ - значение напряжений, рассчитанное при помощи конечно-элементной модели в фиксированной точке бетонного массива плотины.
Полученные расчетные значения напряжений отражают фактическое напряженно деформированное состояние в массиве бетона и могут быть использованы для мониторинга состояния сооружения.
Пример
Возможность практической реализации и преимущества разработанного способа контроля напряжений в конструктивных элементах массивных бетонных сооружений при длительной эксплуатации рассмотрены на примере определения деформаций в ключах наиболее напряженных арочных поясов плотины Саяно-Шушенской ГЭС.
Местоположение розеток:
- розетка 151; секция 33, отметка 504 м, верховая грань (РОНГ 1,2 м);
- розетка 155; секция 33, отметка 504 м, низовая грань (РОНГ 27 м).
РОНГ - расстояние от напорной грани.
Имеющиеся данные натурных наблюдений по двум рассматриваемым точкам достаточны для реализации предлагаемого способа, основой которого является восполнение поля напряжений в массиве бетона с использованием имитационной модели сооружения.
Рассмотрим результаты, полученные на имитационной модели до 2012 года. Результаты сравнения изменения деформаций в двух выбранных для демонстрации предлагаемого способа точках представлены на фиг. 1 и фиг. 2. Видно существенное отклонение расчетных величин от данных натурных наблюдений.
На основе подготовленных массивов данных можно построить статистическую модель для изменения деформаций по формуле:
2
2
2
КЭ
КЭ
ε=А+В⋅УВБ+С⋅УВБ+D⋅T+E⋅T+F⋅σ+J⋅σ
КЭ
где А, В, С, D, Е, F, J - коэффициенты, УВБ - отметка верхнего бьефа в приращении над отметкой 500 м, Т - температура бетона в точке с координатами секция 33, отм. 462 м, расстояние от низовой грани 2,85 м, σ - расчетные величины напряжений в заданных точках.
-5
-5
-5
-5
Коэффициенты регрессионной зависимости, представленные в таблице, определены на интервале 2004-2011 гг. На фиг. 3 и фиг. 4 представлены хронограммы расчетных с использованием разработанного способа контроля напряжений в конструктивных элементах массивных бетонных сооружений и фактических приращений деформаций для тензорозеток под номерами 155 и 151 соответственно. Анализируя полученные данные, можно судить о достаточной точности результатов прогнозных моделей и существенное увеличение точности по сравнению с расчетом на конечно-элементной модели. Среднеквадратичное отклонение для расчетных с использованием разработанного способа значений на элементах базовой последовательности 2004-2011 гг. равно 1.3*10 и 0.46*10 для тензорозеток 151 и 155 соответственно, притом, что при расчете на конечно элементной модели получилась точность 3.13*10 и 0.87*10 соответственно.
Предложенный способ контроля напряжений в конструктивных элементах массивных бетонных сооружений при длительной эксплуатации заключается в том, что данные натурных наблюдений за напряженно деформированным состоянием в локальных областях массивного бетонного сооружения могут быть восстановлены с использованием регрессионных моделей, учитывающих расчетные значения напряжений в массиве бетона по имитационной математической модели.
Апробация разработанного способа контроля напряжений в конструктивных элементах массивных бетонных сооружений при длительной эксплуатации проведена на примере анализа данных натурных наблюдений за напряженно-деформированным состоянием в бетоне напорного фронта Саяно-Шушенской ГЭС. Были разработаны две регрессионных модели для тензорозеток под номерами 151 и 155, основанные на учете изменения: температур в базовой точке, отметок уровня верхнего бьефа и расчетных величин напряжений в рассматриваемых областях бетонного массива, полученных на имитационной модели. Применение разработанного способа контроля напряжений в конструктивных элементах позволило увеличить точность аппроксимации данных натурных наблюдений более чем в два раза.
Реализация предлагаемого способа позволяет вести оперативный контроль за напряженно-деформированным состоянием локальных областей массивных бетонных сооружений, определять связь между изменениями значений интегральных показателей состояния сооружения и локального напряженно-деформированного состояния в локальных областях этого сооружения, восстанавливать показания контрольно-измерительной аппаратуры при выходе из строя установленных приборов, например закладных тензометров.