Влияние жесткости колонн на динамические параметры пространственного железобетонного каркаса в процессе ремонта

РЕКОНСТРУКЦИЯ И ТЕХНИЧЕСКАЯ ЭКСПЛУАТАЦИЯ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

УДК 624.012.45:69.058.8

Д.Г. КОПАНИЦА, докт. техн. наук, профессор,

С.Л. КАПАРУЛИН, канд. техн .наук,

Е.В. ВАСИЛЬЕВА

ВЛИЯНИЕ ЖЕСТКОСТИ КОЛОНН НА ДИНАМИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ЖЕЛЕЗОБЕТОННОГО КАРКАСА В ПРОЦЕССЕ РЕМОНТА

Приводятся результаты экспериментальных исследований и расчетов частот собственных колебаний железобетонного пространственного каркаса градирни. Эксперименты выполнены с применением регистрирующего расчетного комплекса. Испытания каркаса проведены до и после усиления колонн каркаса. Данные экспериментов положены в основу расчета с использованием прикладного программного пакета SCAD. Рассмотрены результаты расчетов для различных схем усиления. Получено удовлетворительное совпадение результатов расчета с данными экспериментов.

Определение динамических параметров пространственного сооружения расчетным путем связано с различными упрощающими предпосылками. Длительные сроки и возможные изменения условий в процессе эксплуатации требуют достоверной информации о свойствах материалов и сохранении геометрических форм.

Рассмотрим результаты экспериментальных исследований каркаса градирни ЗАО «Метанол» Томского нефтехимического комбината с размерами в плане 12x24 м и высотой 17,3 м. Железобетонные колонны сплошного сечения 40x60 см, ригели сечением 80x30 см. По ригелям верхнего яруса устроена сборно-монолитная плита покрытия. На поверхности плиты установлены два двигателя, предназначенных для вращения лопастей вентиляторов. Действие динамических нагрузок и длительная эксплуатация в неблагоприятных условиях привели к деструктивным процессам в бетоне, особенно в конструкциях колонн первого яруса. В колоннах появились дефекты, свидетельствующие о невозможности дальнейшей эксплуатации сооружения. Для восстановления эксплуатационной пригодности было выполнено усиление колонн первого яруса путем наращивания сечения.

Определение амплитудно-частотных характеристик каркаса градирни проведено до и после усиления колонн первого яруса и в течение года эксплуатации с периодичностью раз в два месяца. Для измерения ускорений элементов конструкций градирни использован приемно-измерительный комплекс, разработанный в Томском государственном архитектурно-строительном университете совместно с Томским университетом систем управления и радиоэлектроники. Комплекс предназначен для исследования пространственно-временных динамических и статических характеристик в реальном масштабе времени. На рис. 1 представлена его структурная схема. Конструктивно комплекс состоит из измерительных блоков, блока управления и передачи данных, блока питания и персонального компьютера. В измерительных блоках чувствительными элементами являются тензопреобразователи и пьезокерамические акселерометры ADXL концерна ANALOG DEVICE (USA), измеряющие ускорение в интервале 0-2g и 0— 10g с точностью не менее 3mg. Частотный диапазон, динамический диапазон, уровень шума, амплитуда аналогового выхода определяются динамическими характеристиками строительных конструкций.

Рис. 1. Структурная схема приемно-измерительного комплекса

Напряжение с измерительных блоков, пропорциональное величине ускорения, поступает на блок управления и передачи данных. Алгоритм работы блока управления запрограммирован в однокристальной ЭВМ. В блоке осуществляется мультиплексирование приемных каналов, преобразование аналогового сигнала в параллельный двоичный код и через И8Б-порт обмен информацией с персональным компьютером в реальном масштабе времени. Блок питания формирует напряжения, необходимые для работы измеритель-

ного комплекса путем преобразования сети переменного тока 220 В частотой 50 Гц или постоянного тока 12 В. Определение динамических параметров и обработка результатов измерений осуществляются с использованием специализированных программ. Перемещения вычисляются путем двойного интегрирования сигнала с датчиков ускорения, а спектральные характеристики -посредством быстрого преобразования Фурье.

Основные технические характеристики комплекса: 16 измерительных каналов (8 тензометрических, 8 пьезокерамических), погрешность измерения 0,02 %, потребляемый ток 400 шЛ; температурный режим +45-20 оС. Измерения ускорений проводились по направлениям основных осей здания при различных режимах работы двигателей. Для этого на поверхность колонн устанавливались измерительные блоки, ориентированные в трех ортогональных направлениях: вдоль и поперек здания по горизонтальным осям X и У соответственно и вертикальной оси Z.

Измерения до проведения усиления колонн первого яруса показали, что наибольшие ускорения возникли в плоскости поперечных рам каркаса при одновременной работе двух двигателей. На рис. 2 и 3 приведены акселерограммы и спектры колебаний колонны градирни до усиления.

0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2.2 2.4 2.6 2.8

3.2 3.4 3.6 3.8 4

Рис. 2. Акселерограмма колебаний колонны до усиления первого яруса

I

Минимальная собственная частота колебаний колонн каркаса составила 0,7 Гц. На более высоких формах собственных частот появились резонансные колебания, совпадающие с гармониками частоты вращения двигателя, что свидетельствует о нарушении целостности конструкций.

После проведения усиления колонн динамические параметры конструкций изменились. В качестве примера на рис. 4 приведена спектральная характеристика колонны в направлении оси Х, на которой видно, что после усиления в спектре колебаний присутствуют 2 основных частоты: вынужденная частота колебаний, определяемая количеством оборотов двигателя 32,5 Гц и минимальная собственная частота каркаса, которая после усиления увеличилась до 2,0-2,5 Гц.

В процессе работы градирни в течение года было проведено 4 цикла наблюдений. Измерения динамических параметров каркаса показали, что с течением времени минимальная собственная частота колебаний колонн каркаса снизилась с 3 до 1,8 Гц. На частотах 92 и 184 Гц появились дополнительные резонансные частоты гармоник колебаний от работающих двигателей, а амплитуда резонансных колебаний с момента появления и до последнего цикла наблюдения возросла в три раза, что свидетельствует о необходимости усиления колонн на всю высоту.

Для обоснования прогноза поведения конструкций градирни при последующем усилении колонн и сопоставления с данными экспериментов были проведены расчеты. Расчет каркаса проведен по четырем расчетным схемам, показанным на рис. 5. Схема 5, а соответствует каркасу без усиления, на схеме 5, б показано усиление колонн первого яруса, на схеме 5, в - колонн первого и второго ярусов, на схеме 5, г усилены все колонны каркаса. В расчетах использован ПВК SCAD, версия 7.31.

і і .. і. ... .. J

і --- і і і і і і і

' і і і і

і

I""'--! і і і і ^ \  і --г-1 — і... і, 10 12 1 Г— . ... І .... В 18 2 і і і і У "і" і" і" і 3 — — і і і і і і е"«, і і- I

Рис. 4. Спектр колебания колонны в направлении оси Х после усиления

в)

г)

Рис. 5. Расчетная схема каркаса градирни:

а - без усиления; б - колонны первого яруса; в - усилены колонны 1-го и 2-го ярусов; г - усилены все колонны каркаса

Конструкция поперечного сечения колонны была принята составной. Площадь центрального прямоугольника соответствовала размерам колонны до усиления. Вокруг ядра расположено два коробчатых сечения, соответствующих промежуточному слою и обойме соответственно. Прочность бетона для каждого слоя определена экспериментально. Имитация связей между слоями проведена стержневыми элементами. Узлы конечных элементов (КЭ) поверхности старой колонны объединены с узлами КЭ внутренней поверхности промежуточного слоя, а узлы конечных элементов внешней поверхности промежуточного слоя с узлами КЭ внутренней поверхности обоймы.

При этом прочность и деформативность связей определена по результатам экспериментов на колоннах, для чего из тела колонны алмазной коронкой высверливались цилиндрические образцы. Длина кернов составляла половину высоты поперечного сечения колонны. По длине керна определялись структура, прочность и деформативность старого и нового слоев бетона.

Результаты расчета и полученные экспериментальные данные приведены в таблице. Сопоставление данных экспериментов с результатами расчетов показало их удовлетворительную сходимость. Сравнение проведено для расчетной схемы № 2. Проведенные исследования показали, что в процессе эксплуатации происходит снижение частот собственных колебаний железобетонного каркаса. Эти изменения вызваны деструктивными процессами в бетоне и нарушением целостности конструкций и узлов.

Результаты расчета и экспериментальные данные о частотных характеристиках колонн

№ формы колебаний Собственный период колебаний, с

Схема 1 Схема 2 Схема 3 Схема 4

расчет расч. экспер. расчет расчет

1 1,35 1,64 1,66 1,89 2,11

2 1,99 2,28 2,31 2,47 2,95

3 2,16 2,54 2,58 2,8 3,2

4 4,05 5,29 5,45 5,18 5,7

5 4,29 5,68 5,79 5,4 5,8

6 5,03 5,93 6,13 5,55 6,67

7 5,08 5,95 6,15 5,75 6,85

Данные о динамических параметрах являются основанием для прогноза об изменении технических характеристик объекта и его эксплуатационных свойств.

D.G.KOPANITSA, S.L.KAPARULIN, E.B.BASILEBA

THE INFLUENCE OF HARDNESS OF COLUMNS ON DYNAMIC PARAMETERS OF SPATIAL REINFORCED CONCRETE FRAME UNDER REPAIRING

The results of experimental research and calculations of natural vibration frequencies of reinforced concrete frame of water-cooling tower are presented. Experiments were made with the help of the recording calculative complex. The tests of frame were carried out before and after strengthening of columns. The data of experiments were put into the calculation when used SCAD program file. The results of calculations for different reinforced schemes were considered. Satisfied coincidence of calculation results with presented experiments was obtained.