Способ определения усилия натяжения вантового элемента моста
METHOD FOR DETERMINING TENSION FORCE OF CABLE-STAYED ELEMENT OF BRIDGE

Предлагаемое изобретение относится к способам неразрушающего контроля напряженно-деформированного состояния мостовых сооружений и может быть использовано для контроля и диагностики усилий натяжения вантовых элементов мостов, в том числе и элементов внешнего армирования.
Известен способ измерения усилий в растянутых или сжатых стержнях (см. патент СССР №118648), отличающийся тем, что, с целью обеспечения возможности проведения измерения в реальных условиях, величину усилия определяют по разности фаз между возбуждающей силой и колебаниями контролируемого стержня.
Недостаток данного способа заключается в том, что для определения усилия натяжения стержня требуется вибратор с генератором, возбуждающий вынужденные колебания диагностируемого элемента с определенной частотой.
n
n
Известен также способ определения натяжения вант по частоте собственных колебаний (см. Овчинников И.Г., Солохин В.Ф., Раткин В.В., Дядькин С.Н. «Автодорожный мост через реку Обь у г. Сургута: особенности проектирования и строительства»: учебное пособие, Саратов, СГТУ, 2002. - С. 74-75), принятый в качестве прототипа. В известном способе измерительные датчики (пьезорезистивные акселерометры) крепились по одному к каждой ванте вблизи звеньев заделки специально изготовленными скобами. Колебания каждой ванты возбуждались поочередно многократным приложением импульсного воздействия вручную через капроновый шнур длиной около 15 м. Для измерения колебаний использовалась виброизмерительная аппаратура. Далее производилась компьютерная обработка результатов измерения свободных затухающих колебаний: визуализация переходного процесса по сигналу датчика; визуализация отклика конструкции в диапазоне частот 8-12-го низших тонов; идентификация преобладающих собственных тонов и определение для каждого из них порядкового номера (n), частоты (f); выбор 3-10-го тонов с близкими величинами f/n и определение по выбранному числу (k) тонов усредненной частоты 1-го тона в виде ; определение усилия натяжения ванты по формуле  При этом время возбуждения, регистрации колебаний и обработки результатов для каждой ванты составляет около 5 мин.
Недостатком данного способа является то, что он не учитывает включение анкера и антивандальной оболочки в колебательный процесс, что приводит к снижению точности и достоверности определения усилий, а также тот факт, что для измерений необходим специальный автомобиль с оборудованием, делающий процесс трудозатратным и длительным - определение усилий во всех вантовых элементах (с учетом передвижения специального автомобиля, установки и снятия оборудования) занимает несколько дней, в течение которых ситуация на мосту, а следовательно, и усилия натяжения вантовых элементов меняются.
Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в повышении точности и достоверности измерений за счет учета включения анкера и антивандальной оболочки в колебательный процесс и снижении трудозатрат при определении усилий натяжения вантовых элементов за счет использования малогабаритного измерительного комплекса, исключающего необходимость применения оборудования значительных размеров.
Способ определения усилия натяжения вантового элемента моста заключается в том, что в контролируемом месте устанавливают измерительный датчик, возбуждают свободные колебания вантового элемента путем импульсного воздействия и измеряют его частоты собственных колебаний, по которым определяют усилие натяжения, импульсное воздействие осуществляют в месте прикрепления вантового элемента к анкерному устройству, фиксируют не менее трех кратных частот собственных колебаний вантового элемента, определяют для каждой из первых трех кратных зафиксированных частот собственных колебаний (если частот собственных колебаний, присутствующих в спектре частот вантового элемента, больше трех) усилие натяжения вантового элемента по формуле
,
n
p
где N - продольное усилие в вантовом элементе, Н; m - погонная масса вантового элемента, кг/м; М - масса антивандальной оболочки, кг; f - собственная частота колебаний вантового элемента, Гц; n - порядковый номер формы колебаний вантового элемента; L - расчетная длина вантового элемента, м, равная сумме длины собственно вантового элемента (от пассивного до активного анкерного устройства) и расчетной длины анкерного устройства (от точки закрепления вантового элемента до места шарнирного прикрепления анкерного устройства к конструкции); и по усредненному значению этих усилий в виде  судят об усилии натяжения вантового элемента.
2
3
n
Реализуется способ следующим образом. В месте закрепления вантового элемента с анкерным устройством устанавливается датчик-акселерометр (датчик вибрации, м/с) малогабаритного измерительного комплекса «Тензор МС» разработки НИЛ «Мосты» СГУПС, в основе которого лежат пьезорезистивные чувствительные элементы. Импульсным воздействием вручную (например, периодическими однократными толчками анкера) возбуждают свободные колебания вантового элемента, которые фиксируются высокочувствительным датчиком-акселерометром (см. фиг. 1) и передаются в измерительный блок и далее в программный модуль, где происходит их обработка. В полученном после обработки спектре частот (см. фиг. 2) определяют порядковый номер (n) зафиксированных частот собственных колебаний вантового элемента (f). Определяют усилие по формуле
для первых трех кратных (если частот собственных колебаний, присутствующих в спектре частот вантового элемента, больше трех), зафиксированных частот собственных колебаний (см. фиг. 2). Вычисляют среднее значение усилия натяжения в вантовом элементе по формуле .
На фиг. 1 представлена виброграмма колебаний вантового элемента, записанная на одном из вантовых элементов главного пролета Бугринского моста через р. Обь в г. Новосибирске, где 1 - фоновые колебания, 2 - переходный процесс колебаний при однократном воздействии испытателя на анкер; на фиг. 2 приведен спектр частот, зафиксированный измерительным комплексом «Тензор MG» (программное обеспечение основано на быстром преобразовании Фурье).
n
Пример реализации способа. Определение усилий натяжения в вантовых элементах производилось при строительстве главного пролета Бугринского моста в г. Новосибирске. В месте прикрепления вантового элемента к пассивному анкерному устройству (установленному на затяжке арочного пролетного строения) устанавливали датчик-акселерометр измерительного комплекса «Тензор МG» (№ в госреестре средств измерений 38532-08, свидетельство об утверждении типа средств измерений RU.C.34.007.A №32603/1). Периодическими однократными толчками анкера вручную возбуждали свободные колебания вантового элемента, которые фиксировались высокочувствительным датчиком и передавались в измерительный блок, откуда поступали в программный модуль, где происходила их обработка. В полученном после обработки спектре частот определяли порядковый номер (n) зафиксированных частот собственных колебаний (f) вантового элемента. Определяли усилие для первых трех кратных (если частот собственных колебаний, присутствующих в спектре частот вантового элемента, больше трех) зафиксированных частот собственных колебаний. Вычисляли среднее значение усилия натяжения в вантовом элементе в виде . В таблице приведены значения усилий в нескольких диагностируемых элементах, определенных с помощью разработанного способа, и значения усилий, определенные по способу-прототипу.
В сравнении с прототипом данный способ имеет следующие преимущества: учет включения анкера и антивандальной оболочки в колебательный процесс и, как следствие, повышение точности и достоверности при определении усилий натяжения до 10%, а также снижение трудоемкости процесса сбора данных, поскольку нет необходимости в эксплуатации специального автомобиля с оборудованием, находящегося непосредственно на мосту во время сбора данных.