Методика динамической диагностики типовых балочных железобетонных пролетных строений автодорожных мостов Соломенцев, Михаил Евгеньевич

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Состояние вопроса в области динамической диагностики железобетонных пролетных строений автодорожных мостов

1.1. Основные дефекты и их влияние на эксплуатационные характеристики железобетонных пролетных строений 11

1.2. Современные методы диагностики состояния железобетонных конструкций. Состояние вопроса 22

1.3. Актуальность совершенствования методов учета дефектов при оценке несущей способности, надежности и долговечности сооружений 39

1.4. Выводы по главе. Цели и задачи исследования. Блок схема исследований 46

Глава 2. Экспериментальные исследования амплитудно-частотных характеристик существующих железобетонных пролетных строений автодорожных мостов с различными дефектами

2.1. Планирование экспериментов. Методика проведения исследований 49

2.2. Описание рассматриваемых пролетных строений 54

2.3. Характеристики технических средств испытаний 57

2.4. Регистрация амплитудно-частотных характеристик с использованием измерительной системы мобильный комплекс вибрадиагностики сооружений Обработка результатов испытаний. Сопоставление полученных амплитудно-частотных характеристик железобетонных пролетных строений автодорожных мостов 61

2.5. Выводы по главе 74

Глава 3 Теоретическое исследование влияния дефектов на амплитудно-частотных характеристик пролетных строений автодорожных мостов

3.1. Методические предпосылки диагностики дефектов балочных железобетонных пролетных строений автодорожных мостов на основе применения механических волновых колебаний 75

3.2. Компьютерное моделирование методом конечных элементов пролетных строений с помощью системы COSMOS/M с учетом влияния дефектов 80

3.3. Обработка результатов полученных данных. Влияние различных дефектов на амплитудно-частотных характеристик железобетонных пролетных строений автодорожных мостов 87

3.4. Выводы по главе 120

Глава 4. Методика динамической диагностики типовых балочных железобетонных пролетных строений автодорожных мостов

4.1. Основные положения и принципы методики 121

4.2. Оценка экономического эффекта от внедрения методики динамической диагностики железобетонных пролетных строений автодорожных мостов 126

4.3.Результаты апробации предлагаемой методики 128

4.4. Основные результаты и выводы 129

Список использованной литературы 131

• Современные методы диагностики состояния железобетонных конструкций. Состояние вопроса
• Характеристики технических средств испытаний
• Компьютерное моделирование методом конечных элементов пролетных строений с помощью системы COSMOS/M с учетом влияния дефектов
• Основные положения и принципы методики

Введение к работе

Актуальность работы. Постоянный рост автомобильных перевозок, увеличение мощности и грузоподъемности автопарка ведут к преждевременному износу несущих конструкций мостовых сооружений и, как следствие, к необходимости их ремонта раньше проектного срока.

На сети автомобильных дорог России эксплуатируются несколько тысяч железобетонных пролетных строений, построенных по типовым проектам. Оценка технического состояния типовых балочных железобетонных пролётных строений автодорожных мостов по действующим нормам требует выполнения широкого комплекса работ по обследованиям и испытаниям. Для обеспечения безопасного пропуска автотранспорта без ограничения скоростей их движения необходимо оперативно выявлять возникающие в пролетных строениях неисправности.

Обследования мостовых сооружений включает визуальный осмотр, фотофиксацию, отбор и исследование образцов материалов, лазерное и ультразвуковое сканирование и вибродиагностику. При этом вибродиагностика одновременно является и методом динамических испытаний мостовых сооружений. Анализ влияния выявленных дефектов на техническое состояние мостовых сооружений, в том числе, на несущую способность пролетных строений при вибродиагностике, осуществляется путем сравнения результатов измеренных на натурном объекте спектров амплитудно-частотных характеристик (далее АЧХ) с расчетными (проектными). Для идентификации математических моделей на основе данных натурных исследований необходимо изучить влияние конкретных видов дефектов на АЧХ типовых балочных пролетных строений.

Цель исследования: Развитие и совершенствование методики оперативной динамической диагностики типовых балочных железобетонных пролетных строений автодорожных мостов. Для достижения поставленной цели в работе сформулированы и решены следующие задачи:

Анализ современного состояния вопроса в области динамической диагностики железобетонных пролетных строений автодорожных мостов.

Экспериментальные натурные исследования влияния дефектов на изменение амплитудно-частотных характеристик (далее АЧХ) железобетонных пролётных строений автодорожных мостов.

Спектральный анализ результатов натурных исследований с целью выявления зависимости диагностических признаков дефектов по изменению параметров на основе АЧХ.

Расчетно-теоретический анализ влияния дефектов на АЧХ типовых балочных пролётных строений автодорожных мостов с использованием компьютерного моделирования.

Систематизация идентификационных признаков дефектов на основе сопоставления и анализа полученных экспериментальных и теоретических результатов АЧХ типовых железобетонных пролетных строений автодорожных мостов.

Разработка предложений по совершенствованию аппаратно-программного обеспечения систем вибродиагностики железобетонных пролетных строений.

Разработка рекомендации по совершенствованию методики вибродиагностики дефектов и оценки их влияния на несущую способность типовых балочных железобетонных пролетных строений автодорожных мостов.

Достоверность полученных результатов подтверждена: удовлетворительным совпадением результатов экспериментальных данных с теоретическими расчётами; концепцией методики вибродиагностики, основанных на имитации реального динамического отклика конструкций от тарированной нагрузки, учете фактического технического состояния и условий работы реальных конструкций; использование при разработке методики требований и положений действующих нормативных документов и систем технического регулирования (СНиПов, ГОСТов, ОДМ и др.); применением метода конечно-элементного анализа на базе лицензионного расчетного комплекса COSMOS/M, применяемого для расчета ответственных строительных конструкций и сооружений.

Объект исследования: типовые балочные железобетонные пролетные строения автодорожных мостов.

Метод исследования: сопоставление экспериментальных спектров амплитудно-частотных характеристик, полученных при вибродинамических испытаниях реальных пролетных строений и теоретический анализ влияния зафиксированных дефектов на изменение АЧХ с использованием численных математических моделей.

Научая новизна работы, заключается в следующем:

По результатам обследований большого числа эксплуатируемых типовых балочных железобетонных пролётных строений автодорожных мостов установлено влияние конкретных видов дефектов, повреждений и отклонений от проекта на изменение АЧХ балок пролетного строения.

Впервые на основе экспериментальных данных и математического моделирования количественно установлены значения динамических параметров типовых балочных железобетонных пролётных строений автодорожных мостов, изменение которых позволяет выявить наличие дефектов и повреждений, а также определить степень их влияния на техническое состояние пролётного строения.

Предложена классификация дефектов по изменению АЧХ балочных пролётных строений, включающая численную оценку их влияния на снижение фактической несущей способности.

4. Разработана усовершенствованная методика динамической диагностики типовых балочных железобетонных пролетных строений автодорожных мостов.

Практическая ценность работы: разработанная методика вибродиагностики позволяет оперативно дать предварительную оценку технического состояния типовых балочных железобетонных пролётных строений автодорожных мостов; методика позволяет производить экспресс диагностику наиболее распространённых дефектов и повреждений, снижающих несущую способность пролётных строений, и формировать объектно-ориентированные базы данных дефектов и повреждений по каждому отдельному сооружению, определяющую состояние моста на момент испытаний, а при повторных обследованиях судить о появлении новых повреждений и снижении несущей способности, а также прогнозировать дальнейшие изменения, связанные с развитием трещин; метод экспресс диагностики эффективен при проведении сплошного контроля текущего состояния всех элементов моста и позволяет обнаружить труднодоступные дефекты, не диагностируемые традиционными методами обследований; комплексное применение методики динамической диагностики типовых балочных железобетонных пролетных строений автодорожных мостов и визуального осмотра позволяет увеличить полноту и достоверность обследований, а также выявить дефекты на ранней стадии и прогнозировать их развитие; усовершенствование методики вибродиагностики позволяет классифицировать дефекты и повреждения по опасности и влиянию на несущую способность, и уже на стадии реконструкции существующих сооружений уделить больше внимания существенным дефектам, требующим оперативного ремонта.

9 Реализация результатов работы: динамические испытания мостового перехода через озеро Селигер на 124 км автодороги «Торжок - Осташков» в Осташковском районе Тверской области; динамические испытания моста через р. Волга на автодороге Сорокино - Хотошино - Селище; динамические испытания путепровода через железнодорожные пути Октябрьской железной дороги в створе пересечения улицы Мира и Каширского шоссе в городе Торжке и другие объекты;

Апробация работы. Основные результаты работы доложены на ежегодных научно-технических конференциях Московского Автомобильно-Дорожного Института Государственного Технического Университета МАДИ (ГТУ), на заседаниях секции «Строительство и реконструкция искусственных сооружений (мосты, путепроводы, виадуки и т.п.)» Учёного Совета ОАО ЦНИИС.

На защиту выносятся:

Анализ результатов натурных измерений АЧХ при наличии различных дефектов в типовых балочных железобетонных пролетных строениях автодорожных мостов.

Результаты расчетно — теоретического анализа влияния дефектов на АЧХ компьютерных моделей типовых балочных железобетонных пролетных строений автодорожных мостов.

Классификация дефектов по изменению АЧХ и влиянию на несущую способность.

4. Основные положения методики динамической диагностики типовых балочных железобетонных пролетных строений автодорожных мостов.

Публикации. По результатам исследования опубликованы пять печатных работ в профильных изданиях, в том числе одна в журнале, входящем в список ВАК РФ, в которых отражены основные положения диссертационной работы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографического указателя. Полный объем диссертации составляет 163 стр., включая 117 рисунка и 4 таблицы. Основной текст (без оглавления, библиографического указателя, приложений, рисунков и таблиц) излагается на 74 страницах. Библиографический указатель включает 132 наименований.

Диссертация выполнена в Филиале ОАО ЦНИИС НИЦ «Мосты».

11 Г л а в а 1

1.1 ОСНОВНЫЕ ДЕФЕКТЫ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ХАРАТЕРИСТИКИ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ПРОЛЕТНЫХ СТРОЕНИЙ.

На сегодняшний день самыми распространенными являются плитно — балочные мостовые сооружения. Конструктивно они выполняются либо без поперечных связей, диафрагм или же с жестко связанными за счет плиты проезжей части балками. Частными случаями данного класса конструкций являются плитные (как правило, малых пролетов до 9 метров) и балочные мосты. Главные элементы плитно - балочных систем представляют собой балки таврового, двутаврового или коробчатого сечения с одной или несколькими стенками. Пояса балок, как правило, имеют непрерывную конструкцию, а стенка может иметь различного рода вырезы, что обуславливает наличие большого разнообразия вариантов конструкций, близких к балке по характеру работы, в том числе и фермы [77,18,10]. Являясь самой многочисленной группой, балочные мосты включают в себя разрезные и неразрезные системы. Среди разрезных систем в 50 - е годы наиболее широкое распространение получили сборные диафрагменные пролетные строения с балками и каркасной арматурой пролетами 11,36; 16,76; 22,16 метров.

В настоящей работе объектом исследования были следующие типовые проекты:

А) сборные диафрагменные (типовой проект 56);

Б) бездиафрагменные (типовой проект 56Д) пролетные строения железобетонные сборные с каркасной арматурой периодического профиля

В) Пролетные строения без диафрагм длиной 12, 15и18м, с арматурой классов А-И, А-Ш. разработанные СОЮЗДОРПРОЕКТ, серия 3.503-14, вып. 5, инв. № 710/5, 1974 с последующей доработкой переименован в типовой проект 3.503.1-73.

Разрушение железобетонной плиты проезжей части может быть обусловлено как низким качеством изготовления, так и коррозией арматуры за

12 счет проникновения влаги, содержащей хлористые соли и другие химически активные вещества, в бетон плиты. Коррозия арматуры приводит к уменьшению расчетной площади ее поперечного сечения за счет образования продуктов окисления железа, которые занимают объем в 2 - 3 раза больший, чем неокисленная сталь. Возникающее при этом радиальное давление порядка 3-4 МПа приводит к раскалыванию бетона вдоль арматурных стержней с последующим выколом участков бетона между трещинами вместе с дорожной одеждой и образованием ям и выбоин на проезжей части. Отсутствующая или поврежденная гидроизоляция, наличие усадочных, температурных и силовых трещин также приводят к ускорению процесса деструкции бетона [77,47,46,76].

Из — за наличия подобных дефектов, характерных для отечественных железобетонных мостов, особенно построенных по первым типовым проектам (типовые проекты 56, 56Д и другие, разработанные Союздорпроектом), плохо обеспеченной герметичности проезжей части, вода атмосферных осадков и вместе с ней соли не только попадают под гидроизоляционный слой и фильтруются через железобетон плиты проезжей части, но и, проникая под конструкции тротуаров, попадают на наружные поверхности плиты, стенок, как фасадных, так и смежных с ними главных балок. Таким образом, разрушение бетона плиты проезжей части влечет за собой разрушение ребер балок пролетных строений [77,10,24].

При неблагоприятном сочетании указанных выше факторов коррозия арматуры может привести к разрушению моста за несколько лет. В мостах с балками без предварительного обжатия бетона процесс коррозии приводит к отрыву защитного слоя распределительной и растянутой арматуры продуктами коррозии стали. Этот дефект имеет место в 50 - 60 % осмотренных мостов [13]. Коррозия арматуры, кроме общего снижения несущей способности балок за счет уменьшения сечения арматуры, приводит к потере ее сцепления с бетоном и последующему изменению статической схемы работы моста, разрушению бетона защитного слоя и, как следствие, образованию поперечных и наклонных

13 трещин, приводящих к снижению жесткости балок на изгиб и кручение, провисанию балок и, в итоге, снижению долговечности всего моста.

Вообще говоря, проблемы, связанные с трещиностойкостью и исследованиями механизмов разрушения бетона и их влиянием на долговечность бетонных и железобетонных конструкций являются на сегодняшний день одними из самых актуальных в строительстве Большой вклад в изучение этих вопросов внесли О.Я.Берг, С.Н.Журков, Ю.М.Баженов, В.В.Жуков, Г.С.Рояк, И.Н.Ахвердов, В.И.Беда, Г.И.Баренблатт, А.А.Гвоздев, Б.Г.Скрамтаев, Е.А.Гузеев, Ю.В.Зайцев, М.Д.Мосесов, Г.Я.Почтовик, П.Г.Комохов, Е.Н.Щербаков, В.В.Панасюк, Н.И.Карпенко, И.М.Грушко, А.Н.Бобрышев, И.А.Иванов, В.А.Бокарев, В.П.Чирков, Ю.М.Егорушкин, А.С.Залесов, А.Р.Соловянчик, В.В.Пассек а также Ф.Виттман, А.Г.Эванс, С.Миндесс, С.Видерхорн и другие ученые. Анализ этих работ, а также практика обследований и испытаний автодорожных мостов показывает, что экспериментальные данные не всегда соответствуют расчетным значениям. В результате каждый раз, когда требуется составить дефектную ведомость пролетного строения, необходимо привлекать другие методы, требующие больших затрат по времени и иной раз не дающие объективной картины состояния сооружения.

Важнейшей задачей эксплуатационных служб является организация проведения регулярных обследований сооружений, на предмет выявления видимых и скрытых дефектов, которые впоследствии могут послужить причиной отказов сооружений. Для эффективного проведения оценки технического состояния пролетных строений мостов необходимо иметь четкую классификацию трещин и прочих дефектов.

Классификации дефектов можно найти в нормативной литературе, например, в "Классификации дефектов автодорожных мостов" [28] и инструкции [35], а также в монографиях и статьях специалистов [38,77 и др.]. В работе Л. И. Иосилевского [38] приведена классификация трещин в балочных

14 пролетных строениях по причинам образования и степени воздействия на их эксплуатационные качества (см. таблицу 1). Трещины подразделяются на шесть категорий плюс группа дефектов, не относящихся к трещинам, но которые также необходимо учитывать при проведении обследований пролетных строений и оценке их технического состояния. Характерно, что большая часть этих дефектов вызвана эксплуатационной нагрузкой, силовыми факторами и нарушениями технологий работ [38]. Однако, являясь концентраторами напряжений и зародышами трещин, они могут прогрессировать в процессе эксплуатации. Опасность этих дефектов заключается в том, что они приводят к нерасчетному перераспределению усилий в сечении, непредвиденной перегрузке арматуры и сжатого бетона за счет выхода из работы бетона с трещинами. Наблюдения и обследования пролетных строений показывают, что в предварительно напряженных пролетных строениях имеется значительное количество трещин силового и технологического происхождения.

Классификация трещин, приведенная в учебном пособии [77] (Л. И. Иосилевского, И. Г Овчинникова, и др.), является более полной. Здесь используются два классификационных признака:

По положению относительно продольной оси главных балок пролетного строения трещины представлены в таблице 1:

Таблица 1 № п/п

Категор трещин

Причина образования и характеристика

Рисунок дефекта пролетного строения

Поперечн ые трепщны в нижнем поясе середине пролета балок; Раскрыта е 0,1-0,2 мм, длина 20-50 см.

Возникают при эксплуатации балок пролетного строения в том числе и разрушении арматуры в середине пролета, недостаточная высота сечения балки, отслоение защитного слоя

Рисунок 1 - Поперечные в нижнем поясе середине пролета

Наклон трещин стенках главных балок пролета

Возникают от совместного действия главных растягивающих и температурно - усадочных напряжений или разрыва хомутов в наклонном сечении. Раскрытие 0,01-0,2 мм.

Рисунок 2 - Наклонные трещины в стенках крайних балок;

Раковины

, пустоты, полости в бетоне, сколы (глубиной

5-10мм на длине 3-5 м по всей высоте стенки балки пролетног строения)

Рисунок 3 - Раковины, пустоты, полости в бетоне, сколы.

Отклонен проектног положени опорных частей (опорная часть на сдвинута проектног положени

Отклонен геометри ческих размерах элементо видр. (клавиши эффект);

Причиной, как правило, является нарушение требований к технологии приготовления бетона и качеству производства работ.

Рисунок 4 - отклонения от проектного положения опорных частей.

Рисунок 5 - отклонения в геометрических размерах элементов и др.

Поперечн вертикаль трещины в верхних поясах балок (длиной до 40см и шириной раскрыта я 0.05-0.1

Трещин середин пролета верхней части стенки главной балки (длиной до 280мм шириной раскрыта я до 1-3

Продольн трещины в зоне сопряжен и я плиты стенкой (длиной до 30см и шириной раскрыта я до 1-3

Возникают при изготовлении или монтаже от совместного действия растягивающих напряжений, от эксцентрично приложенного усилия натяжения арматуры, и напряжений, вызываемых моментом от свеса консолей балки при транспортировке и монтаже. Имеют максимальное раскрытие 0,05-0,1 мм.

Разрушение бетона сжатой зоны в середине пролета;

Изменяют работу конструкций -уменьшение момента сопротивления сечения балки и включение в работу на срез хомутов. Возникают при разрыве хомутов по продольной трещине в месте примыкания плиты к ребру главной балки

Рисунок 6 - Поперечные вертикальные трещины в верхних поясах балок и стенке опорных и примыкающих к ним панелей

Рисунок 7 - Разрушение бетона сжатой зоны в середине пролета

Рисунок 8 - Продольная в зоне сопряжения плиты со стенкой

Сквозные трещины в ребрах жесткост (раскрыта е 2-4 мм, длиной равной высоте балки);

Возникают от воздействия на стенку балки моментов из плоскости стенки и усадочных напряжений. Могут рассекать ребро жесткости на всю глубину и проникать в тело стенки. _{У//////////////77Л}

Трещины в зонах опорных частей (шириной раскрыта

Образуются в следствии конструктивных недостатков опорных узлов пролетных строений

Рисунок 9 - Сквозные трещины в ребрах жесткости

Рисунок 10 - Трещины в зонах опорных частей

Трещины в зоне омонолич ивания балок (шириной раскрыта я до 4

Возникают при нарушении работы подвижных опорных частей

Рисунок 11 - Трещины в зоне омоноличивания

19 2. По происхождению трещины подразделяются на:

Технологические, в том числе усадочные

Силовые

Коррозионные

Далее в [77] приводится таблица, аналогичная таблице 1, содержащая краткую информацию о 32-х типах трещин (из них 15, характерных для железобетонных пролетных строений), причинах их возникновения, влиянии их на конструкции, а также рекомендации по их устранению или уменьшению их влияния. Не приводя таблицы, укажем некоторые характерные особенности основных видов трещин, которые необходимо учитывать при оценке их влияния на работу пролетных строений.

Характерными зонами образования силовых трещин являются приопорные участки балок, середины пролетных строений разрезных балок и арок, балки неразрезных пролетных строений. К характерным зонам образования технологических трещин можно отнести плиту проезжей части разрезных балок, стык плиты проезжей части и ребра, середину предварительно напряженных балок, а также любое место конструкции пролетного строения, где могут возникнуть температурно — усадочные трещины. Однако, чаще всего температурно - усадочные трещины возникают на границе соприкосновения материалов (бетонов) с различными коэффициентами линейного расширения, в элементах с резким изменением поперечного сечения. Коррозионные трещины образуются при недостаточной толщине защитного слоя. Характерный признак коррозионных трещин — регулярность их расположения в соответствии со схемой армирования элементов конструкции. В зонах опирання и на торцевых участках (ребрах, диафрагмах, под анкерами напрягаемой арматуры) главных балок часто возникают вертикальные и наклонные трещины, вызванные концентрацией местных напряжений, при потере подвижности, заклинивании, перекосе опорных частей, неполном или неправильном опираний балок [77].

Анализ результатов обследования мостов показывает, что практически во всех железобетонных пролетных строениях длиной 40 и более метров независимо от типов, конструкций, нагрузок и условий эксплуатации имеются трещины того или иного вида [77].

В заключении раздела приведем таблицу 2, иллюстрирующую распространенность различного рода дефектов в железобетонных пролетных строения, по данным различных организаций [77]. таблица 2

Вывод №1: Обзор научных источников показал, что наиболее распространены различного рода трещины для железобетонных пролетных строений.

21 Вывод №2: Ниже представлены дефекты, которые будут рассмотрены для создания методики динамической диагностики дефектов железобетонных пролетных строений автодорожных мостов: вертикальные трещины в нижнем поясе в середине пролета (Раскрытие 0,1-0,2 мм и более, длина 20-50 см.); наклонные трещины в стенках крайних балок (Раскрытие 0,01-0,2 мм и более, Длина трещины - на всю высоту стенки); раковины, пустоты, полости в бетоне, сколы (глубиной 5-10мм на длине 3-5 м по всей высоте стенки балки пролетного строения); отклонения от проектного положения опорных частей (опорная часть на 20см сдвинута от проектного положения); вертикальные трещины в верхних поясах балок (длиной до 40см и шириной раскрытия 0.05-0.1 мм); трещины в середине пролета в верхней части стенки главной балки (длиной до 280мм и шириной раскрытия до 1-3 мм); продольные трещины в зоне сопряжения плиты со стенкой (длиной до 30мм и шириной раскрытия до 1-3 мм); сквозные трещины в ребрах жесткости (раскрытие 2-4 мм, длиной равной высоте балки); трещины в зонах опорных частей (шириной раскрытия до 3 мм); отклонения в геометрических размерах элементов и др. (клавишный эффект); трещины в зоне омоноличивания балок (шириной раскрытия до 4 мм); поперечные трещины в диафрагмах (длиной до 40см и шириной раскрытия до 5 мм); коррозия арматуры (снижение площади 6 стержней с 25 до 20мм); увеличение слоя асфальтобетона (с 70мм до 400мм) (отклонение от проекта); заклинивание балки при отсутствии (стирании) опорной части

22 1.2 СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА.

Уже несколько десятков лет в нашей стране и за рубежом интенсивно развиваются различные методы неразрушающего контроля и диагностики строительных конструкций. Обнаружение и оценка параметров дефектов в конструкциях непосредственно входит в область задач, решаемых с помощью неразрушающих методов испытаний [49,50,61,106,107,108]. Теоретическим основам и описанию этих методов посвящена обширная литература [49,50,61,106,107,108,6,93,56,73,19,44,75,94,118,25,57,58,59,60,125,74,32], на основании которой все существующие методы неразрушающих испытаний строительных конструкций можно подразделить на пять групп [61]: методы испытаний, основанные на использовании механических колебаний; механические методы испытаний; . радиационные методы испытаний; магнитные методы испытаний; термодефектоскопия.

С точки зрения оценки влияния дефектов на динамические характеристики пролетных строений мостов наибольший интерес представляет группа методов испытаний, основанных на использовании механических колебаний. В основу данной группы методов положена зависимость спектра колебаний конструкции и параметров распространения в ней волн от ее геометрической формы и свойств материала, из которого она изготовлена [107,108,106,44,75]. Как показывают многочисленные эксперименты [49,50,61], наличие в конструкции трещин оказывает определенное влияние на спектры колебаний пролетных строений [50]. Это обстоятельство связано тем, что при наличии трещин в конструкции происходит перераспределение внутренних усилий, вызванное локальными изменениями геометрии и, как следствие, перераспределение энергии механических колебаний. Упругие свойства

23 материала и степень предварительного напряжения арматуры также оказывают влияние на частотный состав колебаний и характеристики затухания [106,107,108].

В состав первой группы включают следующие методы: резонансный метод; вибрационный метод; ультразвуковой импульсный метод; метод акустической эмиссии; метод нелинейной акустической диагностики

Каждый из приведенных выше методов предполагает различные подходы к проведению испытаний и может использоваться в комбинации с другими методами. Но при проведении анализа современного состояния проблемы целесообразно вначале рассмотреть каждый из методов отдельно.

Резонансный метод в основном применяется для испытаний заранее заготовленных образцов в лабораторных условиях, однако, некоторые результаты, полученные с его применением, позволили сделать качественные выводы о зависимости динамических характеристик образца от состояния структуры материала. Этот метод получил широкое распространение для определения динамического модуля упругости при продольных и изгибных колебаниях, модуля сдвига при крутильных колебаниях и коэффициента Пуассона. Данным методом можно приближенно.определять также декремент колебаний. В испытываемом образце могут возбуждаться различные виды колебаний: продольные, изгибные, крутильные [50,61]. Для получения того или иного вида колебаний устанавливают образец на опоры по заранее назначенной схеме и размещают в соответствии с ней возбудитель колебаний и приемник. Образец устанавливают на опоры таким образом, чтобы при механическом воздействии возбудителя на образец в нем возникали преимущественно необходимые внутренние силовые факторы: продольные силы, изгибающие

24 моменты, крутящие моменты. Приемник колебаний размещают в зоне максимальных амплитуд колебаний образца.

При возбуждении колебаний образца с помощью переменной частоты получают в общем случае несколько максимумов амплитуды, соответствующих сопутствующим колебаниям. Поэтому образец, как правило, прощупывается по его длине приемником при неизменном положении возбудителя, что позволяет установить места расположения узлов и пучностей колебаний в образце. В связи с тем, что резонансная частота продольных колебаний вдвое выше значений резонансных частот, определяемых при изгибных и крутильных колебаниях, необходимо знать, с какими колебаниями - продольными, изгибными или крутильными — испытатель имеет дело. Для этого следует перед началом первых измерений теоретически определить ожидаемый интервал значений частоты для образцов обычных геометрических размеров. При наличии опыта достаточно легко определить форму резонансных колебаний для наиболее часто встречающихся размеров образцов. Особенно хорошие результаты получают резонансным методом, когда исследуют изменение свойств бетона в зависимости от его возраста при хранении в агрессивных средах или при замораживании - оттаивании. При этом проводят серию измерений через определенные временные интервалы и получают резонансные характеристики на одинаковых образцах и при одинаковых условиях.

Результаты проведенных лабораторных испытаний бетонных призм показали, что частоты, декременты колебаний образцов, а также скорость ультразвука весьма чувствительны к процессам нарушения структуры материала под воздействием нагрузки [61]. Так, например, изменение частоты собственных колебаний как продольных, так и крутильных, достигает к моменту разрушения образца 30% по сравнению со значением, измеренным непосредственно перед нагружением призмы. Вычисленные по частотам собственных колебаний модули упругости бетона, также изменяются: при продольных колебаниях на 40%, а при крутильных - на 50%. Это можно

25 объяснить [6,93] структурно-механическими изменениями, происходящими в бетоне под нагрузкой.

Таким образом, результаты испытаний позволили выделить три стадии работы бетона под нагрузкой: до появления трещин, после появления микротрещин и после образования макротрещин вплоть до разрушения образцов.

Однако, хотя резонансный метод и позволяет установить количественную связь динамических характеристик образца с наличием в нем дефектов и стадией их развития, область его применения ограничена лабораторными испытаниями. Однако с его помощью нельзя оценить влияние структурных нарушений на динамические характеристики изготовленной конструкции или сооружения (пролетного строения), и, тем более, отслеживать их развитие в реальном времени.

Вибрационный метод нашел широкое применение при испытаниях конструкций и сооружений для определения их динамических характеристик, в том числе и для диагностики дефектов и повреждений в мостах [50,61,106,107,108,93,56,73,19,44,75,94,118,28]. От резонансного метода он отличается тем, что испытания проводят не на заранее приготовленных образцах, а на реальных конструкциях, причем не только в резонансном режиме при воздействии гармонической нагрузки, но и в режиме свободных колебаний. Применяемые частоты вынужденных колебаний находятся в инфразвуковом диапазоне (1-30 Гц).

Вибрационный метод испытаний является неразрушающим методом, способным давать обобщенную информацию (интегральную оценку) о состоянии конструкции в целом с учетом совместности работы бетона и арматуры, влияния дефектов и конструктивных особенностей, как при стендовых лабораторных испытаниях, так и при испытании сооружений [50,61]. Вибрационный метод является перспективным методом испытаний, но нуждается в дальнейшей научной разработке.

26 Вибрационный метод в настоящее время используется для испытания большого числа различных по своему назначению, конструктивным особенностям и применяемым материалам конструкций и сооружений. При этом решаются различные технологические и технические задачи. Наиболее актуально применение вибрационного метода для изучения свойств изгибаемых железобетонных конструкций, например, пролетных строений мостов, где он имеет ряд важных преимуществ по сравнению с другими неразрушающими методами, например, ультразвуковым импульсным методом. Эти преимущества заключаются прежде всего в его "интегральности" [50,61,106,107,108], способности отражать совместную работу арматуры с бетоном, избирательности по отношению к наиболее опасным дефектам. С помощью вибрационного метода возможна не только качественная оценка изделий, но и количественное определение характеристик прочности, жесткости и трещиностойкости. В качестве основных исходных параметров испытаний железобетонных конструкций в практике их неразрушающего контроля вибрационным методом используют собственные частоты и декремент изгибных колебаний конструкций. Частота собственных колебаний, являясь очень информативной характеристикой, интегрально отражает ряд физико-механических, геометрических и других свойств железобетонной конструкции [50,61,108]. Проведенные исследования [50,61,106,107,108,56,44,75] указывают, что на частоту собственных колебаний конструкций существенно влияет изменение размеров и формы сечения, длины элемента, модуля упругости материала, плотности материала, защитного слоя арматуры, а также наличие таких дефектов, таких, как ярко выраженные и распределенные трещины, посторонние включения, зоны недоуплотнения бетона. В этих работах сделаны также в основном качественные выводы о влиянии на частоту собственных колебаний железобетонной конструкции сцепления арматуры с бетоном и прочности бетона.

Разработке и дальнейшему развитию вибрационного и резонансного методов в наибольшей степени способствовали исследования, проведенные Н.А. Крыловым [50], В.А. Латишенко [56], Ю.А. Нилендером [73], Э.А. Сехниашвили [106,107,108], К.А. Глуховским [19], В.А. Калашниковым [44], С.Н. Ногиным [75], Т.Я. Почтовиком [94] , В.В. Судаковым [118] и другими учеными.

Применение современных программных комплексов позволяет исследовать реакцию конечно-элементной модели сооружения на гармоническое воздействие в низкочастотном диапазоне собственных форм колебаний [28] (метод активной вибродиагностики). Конечной целью этого исследования является получение амплитудно-частотных характеристик (далее АЧХ) динамических прогибов для определенного, достаточно большого числа точек исследуемой конечно-элеметной модели [28]. Для обработки больших объёмов информации, как в расчетном, так и в экспериментальном анализе, широко применяются компьтерно-ориентированные информационные технологии. При этом динамическая диагностика применяется, как самостоятельный вид работ, так и в сочетании с традиционными методами (обследование, статические испытания и т.д.).

Проблемы, связанные с использованием параметров вибрационных испытаний для общей оценки несущей способности конструкций, до настоящего времени не разрешены до конца [61]. При этом вибрационный метод имеет определенные ограничения по чувствительности, а также на сегодняшний день отсутствует четкое теоретическое обоснование для локализации различных дефектов и определения их типов. Необходимо отметить также и то, что один только вибрационный метод, даже в различных своих вариантах, без применения в комбинации с другими методами испытаний не дает достаточно адекватной картины развития дефектов и повреждений в сооружении.

Для испытания строительных материалов конструкций, в особенности бетонных и железобетонных, в настоящее время широко применяется ультразвуковой импульсный метод. Излучатель и приемник ультразвука прикрепляют в различных местах строительной конструкции, чаще всего на противоположных ее гранях, и измеряют скорость распространения механического импульса в испытываемом материале [61].

При наличии в бетоне трещин и полостей время прохождения ультразвукового импульса возрастает, что дает возможность выявлять зоны структурных нарушений, а также контролировать такие характеристики бетона, как прочность и однородность. Однако, как показали исследования, на скорость распространения ультразвука существенно влияют вид, качество и зерновой состав заполнителя, а также условия твердения бетона, что необходимо учитывать при проведении испытаний.

В соответствии с ГОСТ 18353-79 для ультразвуковой дефектоскопии применяют следующие методы [39,132,51,18,10,9]:

Классификация по первичному информативному параметру:

Временной метод

Амплитудный метод

Велосимметрический метод

Спектральный

По характеру взаимодействия упругих колебаний с бетоном:

Реверберационный метод

Эмиссионный метод

В зависимости от конкретных условий и задач испытания, методы ультразвуковой дефектоскопии могут применяться в различных комбинациях, как между собой, так и в комбинациях с другими группами методов (например, вибрационным методом и методом акустической эмиссии). Технология проведения ультразвуковой диагностики к настоящему времени хорошо отработана и детально описана в специализированной литературе. В частности

29 исследованию распространения ультразвука в бетоне и его использованию для диагностики конструкций посвящены работы В. Г. Липника[25,57,58,59,60,91], Г. Я. Почтовика[73,91,92,93,94,95], Г. Б. Шмакова[94,125] и др.

Однако, применение данного метода для диагностики таких крупногабаритных и протяженных объектов, как мосты, часто оказывается затруднительным, поскольку требует установки и последующего перемещения большого количества датчиков, каждый из которых способен давать информацию о структурных нарушениях материала конструкции лишь в определенной ограниченной зоне. Это, в частности, затрудняет последующую обработку результатов измерений и их интерпретацию. При этом, как уже говорилось, скорость ультразвука является в значительной мере опосредованным показателем для оценки размеров и местоположения дефекта. Исследование эволюции дефектов во времени при помощи одного только ультразвукового импульсного метода также не представляется возможным. По этим причинам при использовании только ультразвукового импульсного метода нельзя получить интегральную оценку технического состояния мостовой конструкции.

Все более широкое распространение для диагностики железобетонных конструкций получает в последнее время метод акустической эмиссии. Вопросы, связанные с физическими аспектами явления акустической эмиссии, достаточно широко освещены в специализированной литературе, в частности в работах Грешникова, Ю. Б. Дробота, В. М. Баранова, С. И. Буйло, А. С. Трипалина и других ученых.

Опыт применения метода акустической эмиссии в различных отраслях промышленности для диагностики объектов и контроля технологических процессов во многих случаях свидетельствует о преимуществе этого метода перед другими неразрушающими методами. В свое время стали активно разрабатываться два главных направления в использовании метода акустической эмиссии, которые явно просматриваются и в настоящее время. зо Первое направление ориентировано на исследование динамических процессов в нагруженном материале, решение с помощью акустической эмиссии различных задач в области физики твердого тела, пластичности и механики разрушения. Второе направление связано с практическим применением акустической эмиссии как неразрушающего метода диагностики машиностроительных и строительных конструкций и сооружений.

Преимущество метода акустической эмиссии перед другими методами диагностики заключается, прежде всего, в его высокой чувствительности, возможности обнаружения и наблюдения за развитием наиболее опасных для конструкции дефектов, а также отсутствии необходимости перемещения датчиков по объекту. Высокая чувствительность обуславливается высвобождением большого количества акустической энергии при возникновении и развитии трещины. Амплитуда сигнала акустической эмиссии, например, при развитии трещины размером от 0,01 до 0,1 мм в 100 раз превышает изменения амплитуды ультразвукового сигнала, демпфированного той же трещиной [61].

Лабораторные испытания образцов из армированного бетона, проведенные авторами [61] с использованием метода акустической эмиссии позволили выявить существование как минимум трех стадий деформирования бетона под воздействием механического нагружения: стадия уплотнения в пределах от 0 до (0,3-0,5)R (R - предел прочности бетона), когда происходят сдвиги начальных пор материала; стадия появления микротрещин в пределах от 0,3R до 0,8R, когда большие трещины и микродефекты возникают в локальных зонах микроразрушения и образуется развивающаяся сеть микротрещин;. стадия появления макротрещин при уровне 0,8R и выше, когда происходит образование магистральных трещин, выходящих на поверхность, и начинает стремительно развиваться разрушение.

31 В бетоне эти стадии были впервые обнаружены Г. Я. Почтовиком [95]. Дальнейшие исследования [91] показали, что удобнее рассматривать четыре стадии:

Уплотнение в пределах 0-0,2R.

Появление микротрещин в пределах (0,2-0,75)R.

Появление макротрещин в пределах (0,75-0,96)R.

Активное разрушение при значениях 0,96R и выше.

Первая стадия характеризовалась выраженной единичной эмиссией со слабыми амплитудами сигналов. Вторая была связана с повышенной частотой импульсов и увеличением амплитуд при возрастании нагрузки. Третью стадию характеризовала сильная эмиссия с большими амплитудами, которые оставались почти постоянными при неизменной скорости нагружения. Последняя стадия показала кратковременное затухание эмиссии с ее стремительным возрастанием перед разрушением образца. При этом оказалось, что энергия, излученная в виде акустической эмиссии, возрастала экспоненциально при нагружении образца и достигала максимального значения в момент разрушения. По отдельным стадиям она распределена в соотношении 1:3:12:20, а количество излученной энергии акустической эмиссии прямо пропорционально прочности материала.

Исследования явления акустической эмиссии в бетонах позволили сделать ряд выводов, представляющих интерес для оценки деформаций этого материала и описания механизма его разрушения, который рассматривается как постепенный процесс накопления и развития микродефектов. Регистрируя число импульсов в зависимости от приложенных напряжений, Г. Я. Почтовик [95] установил, что в менее прочных бетонах при нагружении число образующихся микротрещин больше, но их размер меньше. И здесь же отмечено, что упругая энергия, освобождаемая при разрушении, возрастает с увеличением прочности бетона.

В низкопрочных бетонах число зарегистрированных импульсов больше, чем в высокопрочных. Также было показано, что при растяжении число излучаемых импульсов примерно вдвое меньше, чем при сжатии. То, что каждый импульс является результатом зарождения нового или развития уже имеющегося микродефекта позволило выявить зависимость числа разрушений от вида и уровня нагружения [61]. Следует отметить и то, что бетоны низкой прочности имеют более однородную структуру, содержащую большее число концентраторов напряжений, которые при нагружении становятся очагами микротрещинообразования. Согласно [61], если прочность бетонов различается в 1,65 раза, то число импульсов - почти вдвое, причем это различие еще более возрастает при растяжении. Исследования, проведенные авторами [61], также позволили установить, что основные параметры бетона (его возраст, состав и т.д.) оказывают влияние на процесс образования микротрещин и на его прочность, но не изменяют характера зависимости акустической эмиссии от степени нагружения. Также было установлено, что вид механического нагружения (сжатие, сдвиг, изгиб) не оказывает существенного влияния на характер кумулятивных кривых сигналов акустической эмиссии. Определяющим фактором для акустической эмиссии является результирующий характер разрушения структуры бетона, как источника акустической эмиссии, независимо от того, как и вследствие чего он образовался [61].

Амплитудный анализ сигналов акустической эмиссии, оказался весьма информативным способом исследования этого явления и применяется в работах многих ученых. Авторы [61], показали, что если кривая деструкции (распределение сигналов акустической эмиссии по амплитуде) имеет экспоненциальный характер, то это свидетельствует о невысокой степени развития дефектов в структуре образца, где разрушение протекает только на микроуровнях и характер деформирования может быть отнесен к упругой стадии. Переход же в область возникновения макротрещин обозначается изменением амплитудного распределения, которое принимает вид закона

33 Пуассона или Вейбулла. Аналогичные результаты были получены в работе В.А. Робсмана [97], где в дополнение ко всему показано, что непосредственно перед разрушением амплитудное распределение сигналов акустической эмиссии принимает вид нормального закона.

Исследования в области акустико-эмиссионных методов применительно к железобетонным мостовым конструкциям нашли отражение в работах [23,24]. В работе [23] представлен метод определения уровня напряженного состояния бетонных и железобетонных конструкций мостов, основанный на измерении активности и энергии акустической эмиссии при импульсном тарированном нагружении. Экспериментально определена линейная связь между механической и акустической энергией разрушения в процессе динамического воздействия на материал при разных уровнях напряжений. Предложен акустико-эмиссионный способ оценки напряжений в сваях опор мостов и противооползневых сооружениях, основанный на измерении распределения активности или энергии акустической эмиссии в грунте. В работе [24] исследовалась связь различных компонент акустических волн, излучаемых растущей трещиной. Предложен метод определения вязкости разрушения бетона, основанный на измерении параметров акустической эмиссии, позволивший установить линейную связь между энергией акустической эмиссии при локальном тарированном нагружении бетона и критериями трещиностойкости Кіс и J_1C.

При акустико-эмиссионной диагностике габаритных и протяженных объектов, в частности мостов, значение приобретают проблемы организации и комплексной автоматизации сбора данных и обработки результатов измерений, построения многоканальных автоматизированных акустико-эмиссионных систем. Не менее важной на сегодняшний день является проблема повышения достоверности акустико-эмиссионных измерений и точности локализации и идентификации дефектов в протяженных конструкциях. Указанным вопросам

34 посвящены работы А. Н. Серьезнова, В. В Муравьева, Л. Н. Степановой и других специалистов [67,68,112,104,105].

Метод нелинейной акустической диагностики представляет собой относительно новое направление в диагностики материалов и конструкций. Исследования нелинейных эффектов искажения волн, при распространении их в дефектной среде являются на сегодняшний день одним из наиболее перспективных научных направлений в акустике, поскольку открывают широкие возможности для разработки новых методов технической диагностики конструкций и сооружений.

Теоретические и экспериментальные основы методов, применяемых в настоящее время для нелинейной диагностики материалов и конструкций, работающих под нагрузкой, заложены в работах СИ. Солуяна, О.В. Руденко, Л.К. Зарембо, В.А. Красильникова, А.П. Сухорукова, К.А. Наугольных и др.

Как уже было отмечено, практически все конструкции (независимо от материала) выпускаются с дефектами и повреждениями, которые прогрессируют в процессе эксплуатации. При этом многие свойства конструкции (механические, акустические, электрические, магнитные, оптические и др.) претерпевают определенные изменения, что отражается на спектральных характеристиках волновых процессов в материале конструкции [97,20].

Исследованиям эффектов нелинейного искажения взаимодействующих волн посвящены работы [97,20]. В них установлен характер перераспределения энергии в спектрах при взаимодействии регулярных и шумовых волн, которое выражается в перекачке энергии вверх по спектру и генерации высших гармоник. При распространении волн, излучаемых в режиме активной локации, в дефектной среде также может наблюдаться их взаимодействие с переходным излучением в виде сигналов акустической эмиссии, которое носит нелинейный характер (появление комбинационных и независимых составляющих в спектре). При этом наблюдается трансформация вероятностного распределения

35 акустических сигналов по уровням энергии. Методы анализа таких процессов подробно описаны в работах [98,97]. Эти и другие эффекты позволяют судить о параметрах среды, в которой происходит распространение волн.

Наиболее распространенным методом исследования нелинейных волновых процессов в твердых телах служит изучение спектров выходных сигналов активной локации, распространяющихся на фоне развития дефектов в структуре материала. Проведенные исследования [4,8] показали, что характеристики таких сигналов могут служить индикаторами степени поврежденности материала, а также отражать динамику развития дефектов. Даже слабая нелинейность, например, при зарождении микродефекта может быть зафиксирована при акустических измерениях.

При нагружении конструкции всегда можно условно выделить этап упругой деформации, в течении которого структура материала конструкции не претерпевает необратимых изменений и при снятии нагрузки не наблюдается остаточных деформаций. Как показано в работе В.А. Робсмана [97], нелинейные искажения в сигналах активной локации, проходящих через конструкцию, носят на этой стадии обратимый характер. При дальнейшем росте нагрузки в материале конструкции зарождаются и накапливаются разрывы сплошности, в результате чего нелинейные искажения в спектрах сигналов активной локации усиливаются и становятся необратимыми. Как показали многочисленные эксперименты, параметры этих искажений связаны с уровнем нагрузки, причем установлено, что процесс разрушения материала всегда сопровождается нарастанием шумовой компоненты в спектрах [97,98].

Определенный интерес с точки зрения акустической диагностики конструкций представляет нелинейное взаимодействие ультразвуковых волн активной локации и низкочастотных колебаний самой конструкции, которое выражается в изменении характера модуляции принимаемых акустических сигналов при наличии трещины в материале. В работах В. В. Казакова, А. М. Сутина, А. Э. Екимова и И. Н. Диденкулова [41,42,23,24] на примере

36 лабораторных экспериментов со стальными пластинами и железобетонными балками показано, что использование указанного выше явления позволяет с высокой точностью определить местоположение трещины в конструкции, а также отличить ее от полости в материале. В работе [41] показано, что в зависимости от направления возбуждения изгибных колебаний нелинейные свойства трещины проявляют себя по-разному, при этом два нелинейных дефекта можно различить только в том случае, если первый из них существенно меньше модулирует параметры отраженной ультразвуковой волны. Последнее обстоятельство накладывает на использование метода определенные ограничения.

Следует отметить, что до сих пор почти все экспериментальные исследования, связанные с нелинейной акустической диагностикой дефектов в конструкциях [41,42,97], проводились в лабораторных условиях при заданном режиме нагружения, что позволяет отнести задачу исследования нелинейных акустических эффектов при испытании пролетных строений мостов под проходящей нагрузкой к разряду нерешенных.

В настоящее время существуют методические рекомендации по вибродиагностике разработанные Росавтодором[66], где подробно описано методы выбродиагностики, методы анализа результатов. Но до сих пор отсутствует, численная оценка дефектов, как отдельно взятый дефект влияет на несущую способность пролетного строения.

При разработке настоящей диссертации также была рассмотрена диссертация А. В. Картопольцева [45] Научный руководитель - кандидат технических наук, профессор Сибер Владимир Викторович, «Совершенствование метода оценки динамических характеристик пролетных строений балочных автодорожных мостов» 1998г. Научная новизна состоит в усовершенствовании математической модели колебаний пролетных строений с уточнением начальных условий. Разработано программное обеспечение для анализа динамических характеристик пролетных строений и пр.

В диссертационной работе Е. И. Павлова [81] 2006 г. детально рассматривается экспериментальная оценка динамических характеристик, определена связь между динамическим откликом пролетных строений мостов и традиционными, физическими характеристиками. Разработанная методика дает аппаратурную диагностику конструкций неразрушающими методами контроля. Экспериментом получены спектры реакции пролетных строений от единичного гармонического воздействия. Ранее экспериментальные исследования велись Б. Ф. Лесохиным, И.И. Казеем, А. И. Муровым, В.П. Польевко и др.

В диссертационной работе Д. Н Цветкова [121] научный руководитель -доктор технических наук профессор Бокарев Сергей Александрович «Оценка технического состояния сталежелезобетонных пролетных строений железнодорожных мостов по динамическим параметрам» 2010 года. Рассмотрена проблема определения динамических параметров сталежелезобетонных пролетных строений железнодорожных мостов. Рассмотрен наиболее распространенный дефект для этих мостов - дефектные стыки объединения железобетонных плит балластового корыта. Данная диссертация наиболее близка по тематике, но рассмотрен один дефект не характерный для железобетонных автомобильных мостов.

Для испытания мостовых конструкций М.Л. Хазановым [120] создана измерительная система <<КИС_ИМИДИС» с применением программы спектрального анализа «Спектр».

Вопрос о динамическом исследовании предварительно напряженных железобетонных конструкции был рассмотрен в работе Э.А. Сехниашвили [106] еще в 1988 году. Основные выводы по работе: предварительное напряжение вызывает упругую работу конструкций, до тех пор пока внешняя нагрузка не вызовет трещин в бетоне. И если для ненапряженных конструкциях АЧХ зависит от прочности, структуры, возраста, плотности и других свойств бетона, то в преднапряженных конструкциях влияние выше перечисленных свойств резко уменьшается.

Следующим шагом в исследованиях этого направления будет численная оценка наиболее распространенных дефектов железобетонных пролетных строений, их влияния на напряженно - деформированное состояние конструкции на основании расчетов математических моделей. Используя математические модели пролетных строений оценить опасность дефекта для дальнейшей эксплуатации, снижение грузоподъемности.

Уже на стадии обследования дать экспресс оценку наличия и характера дефекта по изменению спектров амплитудно-частоных характеристик относительно бездефектных моделей.

Научной новизной данного исследования является составление классификации дефектов по изменению АЧХ и численная оценка снижения несущей способности основанной на расчетах идентичных компьютерных моделей методом конечных элементов.

Вывод №1: В настоящей работе для создания Методики динамической диагностики типовых балочных железобетонных пролетных строений автодорожных мостов инструментом исследования принят неразрушающий вибрационный метод диагностики.

Вывод №2: До сих пор отсутствует классификации дефектов по изменению АЧХ и численная оценка снижения несущей способности основанной на расчетах колиброванных компьютерных моделей методом конечных элементов.

39 1.3 АКТУАЛЬНОСТЬ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ МЕТОДОВ УЧЕТА ДЕФЕКТОВ ПРИ ОЦЕНКЕ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ, НАДЕЖНОСТИ И ДОЛГОВЕЧНОСТИ СООРУЖЕНИЙ

В настоящее время на сети железных и автомобильных дорог России эксплуатируются десятки тысяч железобетонных мостов малых и средних пролетов [40], построенные в 50 — 70 годы по индивидуальным и типовым проектам. Эти мосты работают в существенно различных климатических условиях на линиях различной грузонапряженности. Проведенные исследования показывают, что более половины этих мостов имеют недостаточную грузоподъемность вследствие роста объемов грузоперевозок, а каждый двадцатый мост находится в аварийном состоянии. Основной причиной такого положения дел в отрасли послужило то, в свое время большое число мостов было запроектировано и построено по типовым проектам, «привязанным» к соответствующим условиям и в силу однотипности и сборности оказавшимся очень удобными для строительства. При этом при проектировании мало заботились о вопросах удобства эксплуатации и ремонтопригодности. Кроме того в30-50-е годы как в нашей стране, так и за рубежом считали, что срок службы бетонных сооружений может составить более 100 лет, вследствие чего вопросы, связанные с их ремонтом не представлялись в то время достаточно актуальными [77]. Однако сейчас тот факт, что под влиянием эксплуатационных условий несущая способность и долговечность мостов значительно снижаются, уже стал для всех очевидным.

За рубежом подобные проблемы стоят не менее остро, чем в нашей стране, о чем свидетельствует статистика, опубликованная Федеральной администрацией автодорог США в 1990 году, которая показала, что в США из 577 710 мостов 238 357 (41%) имели структурные повреждения или функционально устарели [130]. В [132] приводится содержание отчета об опыте эксплуатации мостов в различных штатах США, где отмечается, что около 50% из 574 000 автодорожных мостов построено до 1940 года. Около 244 000 мостов

40 имеют дефекты несущих элементов, не соответствуют функциональному назначению или нуждаются в ремонте. В [129] также отмечается, что большое количество мостов в США достигло или приближается к концу проектного срока службы и, так как замена такого количества мостов просто не осуществима по экономическим причинам, то возникает проблема их реконструкции и усиления. Среди многих причин выхода мостов из пригодного для эксплуатации состояния выделяются интенсивное применение химикатов против обледенения и недостаточность мероприятий по текущему содержанию [131].

В Великобритании в 1980 году было зарегистрировано около 92 000 мостов, построенных до 1922 года. К этому же периоду количество железобетонных мостов составляло примерно 120 000. В конце 1960- х годов началась реализация программы по идентификации грузоподъемности старых мостов в связи с резким ростом массы транспортных средств и интенсивности их движения [131]. Для оценки грузоподъемности мостов использовались нормы BE 3/73. Однако к 1977 году число тяжелых автомобилей массой более 28 тонн увеличилось от незначительного количества в 1962 году до 90 000. В связи с этим в 1977 году для оценки возможности пропуска нагрузок по пролетным строениям мостов, построенных до 1922 года вместо действующих норм BE 3/73 была введена новая инструкция, призванная обеспечить тот же уровень безопасности, который имеют проектируемые мосты [131].

Из приведенных примеров ясно, насколько серьезное значение для повышения эффективности эксплуатационного содержания мостов имеет своевременная, правильная и четкая оценка их состояния, которую можно получить путем проведения периодических осмотров и технической диагностики [51,77]. Наиболее полное отражение указанных выше аспектов можно найти в работах Л.И.Иосилевского[38,39,40], В.В.Болотина, В.П.Чиркова, И.И.Казея[43,62], И.Г.Овчинникова[76,77,78], В.П.Еремеева, С.П.Тимошенко, В.О.Алмазова, Л.Фрыбы, Г.С.Шестоперова, Е.Е.Гибшмана,

41Н.И.Новожиловой, П.П.Ефимова, Н.Г.Бондаря, Ю.П.Федорова, Я.Г.Пановко, С.С.Кохманюка, В.С.Сафронова, Н.З.Якушева, К.Е.Китаева, В.М.Бондаренко, А.Л.Брика, Г.Ш.Кадишев, С.Н.Конашенко, В.А.Быстрова, А.Г.Барченкова, Ю.В.Новака, А.И.Васильева, Ю.Г.Козьмина, Р.Мамажанова, Н.Н.Стрелецкого, С.А.Ильясевича, Е.И.Павлова, Б.А.Боидаровича, В.К.Качурина,

А.Н.Звягинцева, А.М.Уздина, Е.Г.Игнатьева, С.К.Кашаева, Н.Н.Шапошникова, А.Ф.Смирнова,В.И.Шестерикова,П.М.Саламахиыа,И.К.Матвеева,Е.Г.Игнатьева, Д.Н.Цветкова,И.О.Кузнецовой,А.А.Сергеева,Ю.В.Архипенко,В.А.Быстрова,Г.К .Евграфова, С.А.Бернштейна, М.Л.Хазанова, В.М.Картопольцева,Б.Г.Корнева, и других ученых, а также институтов НИИ-26 и ЦНИИСК им. Кучеренко, посвященных проблемам эксплуатации и методам оценки надежности и долговечности мостов.

Под воздействием окружающей среды в бетоне конструкций происходит интенсивное, часто не очень заметное на глаз, накопление повреждений, что влечет за собой медленную деградацию структуры бетона, "старение" конструкции и снижение срока ее службы [38,40]. Различные дефекты и неисправности, развивающиеся в железобетонных пролетных строениях, понижают их грузоподъемность и долговечность [38,39,40]. По данным, приведенным в работах [38,72], число поврежденных пролетных строений в нашей. стране, из-за которых установлено ограничение скорости движения поездов, доходит до 15% от общего количества мостов. В большинстве эксплуатируемых мостов обнаружено значительное количество разного вида дефектов, причины, возникновения которых также различны. Несмотря на то, что разработаны рекомендации по технологии производства работ при изготовлении железобетонных конструкций, учесть все специфические особенности изготовления пролетных строений мостов практически невозможно [38]. В результате пролетные строения часто выпускаются с начальными повреждениями - силовыми, усадочными и температурными трещинами, выколами бетона и т.д. Таким образом, даже при вводе в

42 эксплуатацию нового моста он уже имеет комплекс дефектов различного рода, распределение которых по мосту носит случайный характер. При этом значительная их часть далеко не всегда может быть обнаружена визуально, а может проявиться в процессе взаимодействия мостового сооружения с проходящей нагрузкой и другими внешними воздействиями [77].

На сегодняшний день для изучения поведения мостового сооружения в процессе эксплуатации проводят экспериментальные и теоретические исследования, которые включают в себя следующие мероприятия [77]

Осмотр и техническая диагностика с целью выявления различных дефектов и повреждений; составление расчетной схемы с предварительным определением технического состояния и грузоподъемности;

Испытание мостового сооружения внешней нагрузкой с целью идентификации параметров расчетной схемы сооружения; уточненное определение грузоподъемности, надежности и остаточного ресурса мостового сооружения.

В процессе осмотра и технической диагностики выявляются дефекты и повреждения, которые условно можно разделить на основные и неосновные. Далее проводится анализ основных дефектов с целью последующего их включения в расчетные схемы, а неосновные, поверхностные при построении расчетных схем не учитываются. С использованием построенных расчетных схем с учетом основных дефектов производится определение грузоподъемности мостового сооружения для последующего назначения безопасной испытательной нагрузки [77]. На втором этапе выполняются измерения деформаций и перемещений мостового сооружения под действием испытательной нагрузки, по результатам которых уточняются его жесткостные характеристики и проводится корректировка расчетной схемы с тем, чтобы определить отклик сооружения на различные сочетания нагрузок. На основании проведенного анализа назначается безопасный уровень эксплуатационной нагрузки и оценивается надежность и остаточный ресурс сооружения.

Однако, необходимо отметить, что зачастую обследование и техническое обслуживание конструкций моста производится только после появления ощутимых повреждений и неисправностей, а научно обоснованных методов, позволяющих вовремя получать информацию об интенсивности и степени опасности развития дефектов, на сегодняшний день не существует. Как результат, на дорогах стран СНГ зафиксированы случаи аварий железобетонных мостов после 10...30 — летней эксплуатации [2,40,90] и преждевременной замены пролетных строений. При этом замену пролетных строений с дефектами часто производят без достаточного технического и экономического обоснования и прогноза остаточного срока службы в конкретных условиях эксплуатации [40].

С учетом сказанного, можно сделать вывод о том, что имеющиеся недостатки в организации эксплуатации мостов, отсутствие своевременного контроля технического состояния и степени накопления повреждений в пролетных строениях, а также средств для его проведения, приводит к преждевременному выходу мостов из строя и, как следствие, много миллиардным потерям средств налогоплательщиков и государства в целом [2,40,53]. Отсюда следует необходимость совершенствования существующих и разработки новых методов, средств и систем технической диагностики, таких, чтобы информация о результатах обследований и испытаний была строго регламентирована и подчинена автоматизированной системе быстрого реагирования на сигналы опасности возникновения отказов сооружений [40]. В связи с этим все более широкое распространение в последнее время начинает получать концепция прочностного мониторинга мостовых сооружений. Разработке этого относительно нового направления и смежных вопросов посвящены работы И. Г. Овчинникова, Е. Н. Щетининой, В. И. Козлова [54,77,78].

Под мониторингом мостовых сооружений понимается контроль и управление состоянием сооружения в течение строительства, а также, с целью

44 обеспечения его надежной эксплуатации на всем сроке службы. Организация мониторинга подразумевает проведение на всех этапах жизненного цикла сооружения следующих мероприятий:

1. На этапе проектирования — обоснованный выбор места мостового перехода, конструктивной схемы моста, выбор материалов, правильность конструктивных решений элементов, расчета напряженно-деформированного состояния, обоснованную оценку региональных геологических и климатических условий, выбор методов и средств защиты от агрессивного воздействия эксплуатационной среды.

На этапе изготовления (строительства) — четкое соблюдение проектных решений по технологии изготовления и монтажа, а при невозможности точного следования проекту обоснованность замены данного технологического решения другим.

На этапе эксплуатации - диагностика состояния сооружения, оценка грузоподъемности и остаточного ресурса, принятие и осуществление решений по ремонту и реконструкции или замене объекта.

При этом основой мониторинга является диагностирование на стадии проектирования, и изготовления (строительства) объекта. На сегодняшний день существуют три основных вида диагностирования: функциональное, специальное и модельное [77,78].

При функциональном диагностировании, состояние сооружения устанавливается в процессе эксплуатации без воздействия средств диагностики. Оно позволяет реагировать на нарушения в контролируемом объекте и решать как задачи правильности его функционирования, так и определения мест и причин неисправностей (соответствующие мероприятия проводятся экспертами, либо используются встроенные в сооружение сигнализаторы).

При специальном диагностировании на объект воздействуют при помощи специализированных технических средств, а диагноз технического состояния формируется в момент времени, когда сооружение не используется по прямому

45 назначению (испытание нагружением) или же во время функционирования сооружения.

Все большее значение в настоящее время приобретает модельное диагностирование, которое позволяет на модельных образцах элементов сооружения (или всего сооружения в целом) или при помощи математических компьютерных моделей (виртуальные испытания) оценивать и прогнозировать влияіше различных эксплуатационных, технологических и конструкционных факторов на работоспособность сооружения, выявлять причины отказов [77].

Сопротивление мостовых сооружений отказам (разрушению) определяется тремя основными факторами: свойствами материалов сооружения, напряженно-деформированным состоянием элементов сооружения, воздействием проходящей нагрузки и окружающей эксплуатационной среды. Все эти факторы на всех стадиях жизненного цикла сооружения изменяются (случайным образом) с течением времени, поэтому задача корректной оценки сопротивляемости мостовых сооружений отказам (разрушению) с учетом всех взаимодействующих факторов является весьма сложной, и в настоящее время подходы к ее решению только намечаются [77]. Вывод№1: Проблема диагностики существующих пролетных строений железобетонных пролетных строений стоит остро как в России, так и за рубежом;

Вывод№2: Серьезное значение для повышения эффективности эксплуатационного содержания мостов имеет своевременная, правильная и четкая оценка их состояния, которую можно получить путем проведения периодических осмотров и технической диагностики;

Вывод№3: Зачастую обследование и техническое обслуживание конструкций моста производится только после появления ощутимых повреждений и неисправностей, а научно обоснованных методов, позволяющих вовремя получать информацию об интенсивности и степени опасности развития дефектов, на сегодняшний день не существует.

46 Вывод№4: В настоящее время приобретает модельное диагностирование, которое позволяет на модельных образцах элементов сооружения (или всего сооружения в целом) или при помощи математических компьютерных моделей (виртуальные испытания) оценивать и прогнозировать влияние различных эксплуатационных, технологических и конструкционных факторов на работоспособность сооружения.

1.4. ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

В настоящее время динамические испытания пролетных строений автодорожных мостов проводятся в основном с помощью одиночных груженых автосамосвалов. При этом до сих пор отсутствует обоснованная методика диагностика распространенных дефектов.

Развитие новых методов динамических испытаний пролетных строений мостов с использованием компьютерных измерительных систем с записью колебаний в реальном масштабе времени, а также современное программное обеспечение позволяют с точностью диагностировать динамические характеристики в частности АЧХ пролетных строений мостов.

Благодаря появившимся измерительным и вычислительным средствам стало возможным исследовать параметры дефектов динамическими методами испытаний.

Цель исследования: Развитие и совершенствование методики оперативной динамической диагностики типовых балочных железобетонных пролетных строений автодорожных мостов. Для достижения поставленной цели в работе сформулированы и решены следующие задачи:

Анализ современного состояния вопроса в области динамической диагностики железобетонных пролетных строений автодорожных мостов.

Экспериментальные натурные исследования влияния дефектов на изменение амплитудно-частотных характеристик (далее АЧХ) железобетонных пролётных строений автодорожных мостов.

Спектральный анализ результатов натурных исследований с целью выявления зависимости диагностических признаков дефектов по изменению параметров на основе АЧХ.

Расчетнс—теоретический анализ влияния дефектов на АЧХ типовых балочных пролётных строений автодорожных мостов с использованием компьютерного моделирования.

Систематизация идентификационных признаков дефектов на основе сопоставления и анализа полученных экспериментальных и теоретических результатов АЧХ типовых железобетонных пролетных строений автодорожных мостов.

Разработка предложений по совершенствованию аппаратно-программного обеспечения систем вибродиагностики железобетонных пролетных строений.

Разработка рекомендации по совершенствованию методики вибродиагностики дефектов и оценки их влияния на несущую способность типовых балочных железобетонных пролетных строений автодорожных мостов.

Блок-схема исследований приведена на рисунке 12.

Цель: Методика дннамнчвскон диагностики тгаюїьк балочных железобетонных про летных строений аьтодорожныхмостоь _[ иЄгьект исследования; і иловые балочные железобетонные _ииші1іполщщщ2оенияа^

Исследование состояния і опроса в области динамические диагностики железобетонных пролетных строений автодорожных мостов; анализ нормативной базы обследований и проектирования мостов

Расчет НД Си исследования отклика модели на гармоническое воздействие в частотной областе для получения АЧХ и проверка рабочих гипотез о влиянии дефектов на изменение АЧХ

Основная часть исследования.

Экспериментальное исследование АЧХ железобетонных прэлё'тных строений sc разлив автодорожных мостов с различными дефектами измеряемые параметрЕГ" Частота и амплитуда колебаний, декрементj затухания пролетных строений

Задание геометрии to дели и граничных|

УСЛОВИЙ

Теорэтнчес кий анализ. Расчетно - теоретический анализ (МКЭ) влияния дефектов на амплитудно-частотные характеристики и | обобщение экспериментальных данных

Количественная Оценка фактического состояния и несущей способности пролетных строений -Количественная оценка физичесюго состояния исследуемых пролетных строений, прогноз развития дефекта в процессе зксгшуатациипролетнсіго строения; -Определение фактической несздцей способности пролетных строений (оценка остаточного ресурса пролетного строения); -Классификация дефектов по изменению АЧХ балочных пролётных строений, включающая численную оценку снижения потери остаточной несущей способности и позволяющая выявить наиболее опасные дефекты; -Электронная объектно-ореентирэванная база данных, как элемент системы объектной томографии для диагностирования и с ертификации железобетонных пролетных строений.

Рисунок 12- блок схема исследований

Современные методы диагностики состояния железобетонных конструкций. Состояние вопроса

С точки зрения оценки влияния дефектов на динамические характеристики пролетных строений мостов наибольший интерес представляет группа методов испытаний, основанных на использовании механических колебаний. В основу данной группы методов положена зависимость спектра колебаний конструкции и параметров распространения в ней волн от ее геометрической формы и свойств материала, из которого она изготовлена [107,108,106,44,75]. Как показывают многочисленные эксперименты [49,50,61], наличие в конструкции трещин оказывает определенное влияние на спектры колебаний пролетных строений [50]. Это обстоятельство связано тем, что при наличии трещин в конструкции происходит перераспределение внутренних усилий, вызванное локальными изменениями геометрии и, как следствие, перераспределение энергии механических колебаний. Упругие свойства материала и степень предварительного напряжения арматуры также оказывают влияние на частотный состав колебаний и характеристики затухания [106,107,108].

В состав первой группы включают следующие методы: резонансный метод; вибрационный метод; ультразвуковой импульсный метод; метод акустической эмиссии; метод нелинейной акустической диагностики Каждый из приведенных выше методов предполагает различные подходы к проведению испытаний и может использоваться в комбинации с другими методами. Но при проведении анализа современного состояния проблемы целесообразно вначале рассмотреть каждый из методов отдельно.

Резонансный метод в основном применяется для испытаний заранее заготовленных образцов в лабораторных условиях, однако, некоторые результаты, полученные с его применением, позволили сделать качественные выводы о зависимости динамических характеристик образца от состояния структуры материала. Этот метод получил широкое распространение для определения динамического модуля упругости при продольных и изгибных колебаниях, модуля сдвига при крутильных колебаниях и коэффициента Пуассона. Данным методом можно приближенно.определять также декремент колебаний. В испытываемом образце могут возбуждаться различные виды колебаний: продольные, изгибные, крутильные [50,61]. Для получения того или иного вида колебаний устанавливают образец на опоры по заранее назначенной схеме и размещают в соответствии с ней возбудитель колебаний и приемник. Образец устанавливают на опоры таким образом, чтобы при механическом воздействии возбудителя на образец в нем возникали преимущественно необходимые внутренние силовые факторы: продольные силы, изгибающие моменты, крутящие моменты. Приемник колебаний размещают в зоне максимальных амплитуд колебаний образца.

При возбуждении колебаний образца с помощью переменной частоты получают в общем случае несколько максимумов амплитуды, соответствующих сопутствующим колебаниям. Поэтому образец, как правило, прощупывается по его длине приемником при неизменном положении возбудителя, что позволяет установить места расположения узлов и пучностей колебаний в образце. В связи с тем, что резонансная частота продольных колебаний вдвое выше значений резонансных частот, определяемых при изгибных и крутильных колебаниях, необходимо знать, с какими колебаниями - продольными, изгибными или крутильными — испытатель имеет дело. Для этого следует перед началом первых измерений теоретически определить ожидаемый интервал значений частоты для образцов обычных геометрических размеров. При наличии опыта достаточно легко определить форму резонансных колебаний для наиболее часто встречающихся размеров образцов. Особенно хорошие результаты получают резонансным методом, когда исследуют изменение свойств бетона в зависимости от его возраста при хранении в агрессивных средах или при замораживании - оттаивании. При этом проводят серию измерений через определенные временные интервалы и получают резонансные характеристики на одинаковых образцах и при одинаковых условиях.

Результаты проведенных лабораторных испытаний бетонных призм показали, что частоты, декременты колебаний образцов, а также скорость ультразвука весьма чувствительны к процессам нарушения структуры материала под воздействием нагрузки [61]. Так, например, изменение частоты собственных колебаний как продольных, так и крутильных, достигает к моменту разрушения образца 30% по сравнению со значением, измеренным непосредственно перед нагружением призмы. Вычисленные по частотам собственных колебаний модули упругости бетона, также изменяются: при продольных колебаниях на 40%, а при крутильных - на 50%. Это можно объяснить [6,93] структурно-механическими изменениями, происходящими в бетоне под нагрузкой.

Таким образом, результаты испытаний позволили выделить три стадии работы бетона под нагрузкой: до появления трещин, после появления микротрещин и после образования макротрещин вплоть до разрушения образцов.

Однако, хотя резонансный метод и позволяет установить количественную связь динамических характеристик образца с наличием в нем дефектов и стадией их развития, область его применения ограничена лабораторными испытаниями. Однако с его помощью нельзя оценить влияние структурных нарушений на динамические характеристики изготовленной конструкции или сооружения (пролетного строения), и, тем более, отслеживать их развитие в реальном времени.

Вибрационный метод нашел широкое применение при испытаниях конструкций и сооружений для определения их динамических характеристик, в том числе и для диагностики дефектов и повреждений в мостах [50,61,106,107,108,93,56,73,19,44,75,94,118,28]. От резонансного метода он отличается тем, что испытания проводят не на заранее приготовленных образцах, а на реальных конструкциях, причем не только в резонансном режиме при воздействии гармонической нагрузки, но и в режиме свободных колебаний. Применяемые частоты вынужденных колебаний находятся в инфразвуковом диапазоне (1-30 Гц).

Характеристики технических средств испытаний

Современный анализ колебаний связан с появлением, в 1960х быстрого преобразования Фурье, включающее в себя обработку, передачу и преобразование сигналов с помощью персональных компьютеров, теорию механических систем (метода конечных элементов, теоретическая механика), автоматизация проведения эксперимента (АСУ, ТАУ) и др.

В исследовании необходимо получить экспериментальную информацию, характеризующую техническое состояние моста. Основным параметром АЧХ является динамический прогиб в размерности «МЕТР прогиба/ТОННА сила динамического усилия» (м/тс), с дальнейшим получением информации о спектре форм колебаний данного сооружения через передаточную функцию для характерных точек конструкции. Матрица передаточных функций дает достаточно полную информацию о спектре форм колебаний конструкции. Для этой цели предусмотрено поэтапное исследование работы сооружения, чтобы экспериментальная информация, собранная на каждом этапе, дополняла друг друга[66].

Первый этап измерений производится на проезжей части каждого пролетного строения, наиболее доступен и не требует предварительной подготовки или вспомогательных подмостей и лестниц. На данном этапе необходимо фиксировать влияние тарированного динамического воздействия на пролетное строение в продольных, поперечных направлениях и кручения, путем последовательной перестановки датчиков на характерные точки пролетного строения (плита проезжей части, балка, консоль тротуара и пр.). Полученные данные позволяют оценить состояния продольной и поперечной жесткости пролетный строений, опорных частей и опор.

На втором этапе измерений производят аналогичные действия для элементов нижнего пояса несущих конструкций пролетного строения.

Третий этап проводится при необходимости получения дополнительной информации для частных задач (обследования ростверков). Все перечисленные этапы, включающие регистрацию откликов АЧХ динамических прогибов для информационно значимых точек, необходимых для последующего анализа колебаний. Передаточные функции отклика на гармонические воздействия могут быть получены при измерении и регистрации входного сигнала и отклика. Далее проводится анализ Фурье и для частотной области и определяется отношение сигналов отклика конструкции к входному силовому воздействию, после чего производится обработка сигнала, включающая определение собственных частот, построение анимации форм колебаний и выявление причин расхождения экспериментальных АЧХ и идеальных расчетно-теоретических АЧХ. Надежность выходных данных зависит от качественной установки датчиков на контрольные точки сооружения и бесперебойного функционирования физических элементов системы, что обеспечит качественное выполнение требуемых операций проводимых в полевых условиях по динамической диагностике типовых балочных железобетонных пролетных строений автодорожных мостов. Ниже представлена последовательность операций выполняемых при испытаниях с использованием мобильного комплекса вибродиагностики сооружений для получения АЧХ, проводимых с активным участием автора: Предварительные 1. ознакомление с рабочей документацией мостового сооружения; 2. разработка компьютерной модели и предварительный расчет для определения форм колебаний и составления предварительной схемы установки датчиков; 3. тарировка измерительной и регистрирующей аппаратуры; 4. на жестком диске компьютера подготовка рабочего файла для записи сигнала. 5. транспортировка мобильного комплекса вибродиагностики (далее МКВС) сотрудников и оборудования к объекту испытаний. На месте испытаний: 6. расстановка дорожных знаков и ограждений; 7. выгрузка аппаратуры ИИС и проверка ее работоспособности; 8. разметка мелом мест расположения сейсмовибратора и датчиков во время виброиспытаний; 9. проверка работоспособности установленной в рабочее положение виброустановки, проверка включения всех датчиков информационно-измерительной системы (далее ИИС) в рабочую систему; 10. барьерами безопасности перекрытие дорожного движения на мосту; 11. вывод сейсмовибратора на заданную точку расположения в соответствии с предварительной разметкой на пролетном строении моста. Перевод сейсмовибратора в рабочее положение; 12. расстановка датчиков на контрольных точках проезжей части в соответствии со схемой расстановки, проверка включения всех датчиков в рабочую систему с автомобилем — лабораторией по линии связи операторами ИИС; 13. пуск программы вибронагружения пролетного строения и регистрация измерений при помощи магнитографа в аналоговом виде. Контроль регистрации производится оператором ИИС и средствами визуального контроля, в процессе нагружения. Составляет по времени от 30 секунд до 5-7 минут; 14. перестановка датчиков на последующие контрольные точки в соответствии с последовательностью загружений, до получения всех необходимых записей вибрации всех ключевых точек пролетного строения. Датчики устанавливаются последовательно на асфальт над ребрами балок в сечениях над опорой, в 0,25 пролета, 0,5 пролета, 0,75 пролета; 15. окончание работ на пролетном строении. Сбор датчиков и подходящих к ним кабелей. Перевод сейсмовибратора в транспортное положение и выезд с пролетного строения на место стоянки; 16. открытие автомобильного движения; 17. подготовка следующей схемы установки сейсмовибратора на пролетном строении (пункты 6-15 повторяются до окончательного сбора необходимых данных для всех исследуемых пролетов моста); 18. свертывание регистрирующей аппаратуры МКВС; 19. редактирование файлов для анализа экспериментальных данных и построения компьютерной анимации пролетов для наглядности и проверки входных и выходных данных; 20. проведение визуального обследования моста: уточнение геометрических и прочностных параметров сооружения, составление дефектной ведомости, фотофиксация дефектов и пр. в соответствии с [111]. 21. транспортировка на следующий объект испытаний.

Компьютерное моделирование методом конечных элементов пролетных строений с помощью системы COSMOS/M с учетом влияния дефектов

Для анализа отклика сооружения на динамическое воздействие использовано компьютерное моделирование, в основе которого лежит метод конечных элементов (далее МКЭ). В настоящей диссертации для анализа МКЭ применен программный комплекс COSMOS/M, хорошо зарекомендовавший себя в расчетах строительных конструкций.

Помимо COSMOS/M для решения задачи, рассматриваемой в диссертации, подойдут программные комплексы ANSYS, NASTRAN, ADINA и др., способные производить анализ динамических реакций математической модели на требуемые сочетания временных нагрузок. Существенным требованием, предъявляемым к программам, реализующим МКЭ, является возможность исследования отклика модели на гармоническое воздействие в частотной области и получение АЧХ для необходимого числа характерных точек модели. Математическая модель, описывающая динамические параметры конструкции, представляет собой систему дифференциальных уравнений большого порядка с заданными граничными условиями.

В используемом программном комплексе COSMOS/M, элементы реального сооружения вводятся в модель в виде набора библиотечных элементов имеющие геометрические размеры, ряд констант, характеризующих их массовые, жёсткостные и другие характеристики. Расчет проводится в линейном модуле программы. Исследование динамической работы сооружения, как при свободных, так и вынужденных колебаниях заключается в определении частот собственных колебаний и связанной с ним амплитудно-частотной характеристикой.

При формировании граничных условий работы модели на различных стадиях отработки моделей учитываются следующие параметры: условия опирання пролетных строений, включая трение в опорных частях; экспериментальные данные по коэффициентам демпфирования различных элементов сооружения; наличие и конструктивные особенности опор и устоев, а также их связь с грунтом. На этапе создания предварительной математической МКЭ-модели, как правило, используется проектная документация и данные натурных обмеров для получения собственных форм колебаний проектного строения. Полученные данные используются для планирования эксперимента: режимов нагружения, разработки программы обследований. Калибровку МКЭ-модели производят на основе экспериментальных данных, после проведения вибродиагностики, визуального осмотра, установления причин количественной оценки отдельных факторов, влияющих на несоответствие экспериментальных результатов с теоретическими расчетами. Это расхождение может возникать при изменении расчетной схемы конструкции (нарушение взаимодействия пролетных строений с насыпями подходов, заклинивания опорных частей, неравномерного отпирания балок пролетного строения, и т.д.). Для решения задачи математического моделирования использовалась, конечно-элементная система COSMOSM v2.9 (лицензия 112995 FV/1 3599), имеющая мощный блок динамического расчёта, который позволяет получать не только собственные частоты и формы колебаний, но и комплексные спектры реакций. Компьютерное моделирование работы моста включает в себя следующие основные этапы: разработку пространственной компьютерной модели сооружения, включая не только пролетные строения, но опоры, фундаменты и грунт; локальное изменение жесткосных характеристик в компьютерной модели по результатам экспериментальных данных, путем введения дефектов в математическую модель; выполнение динамических расчетов калиброванной конечно-элементной модели (далее КЭМ) на собственные и вынужденные колебания от единичной силы, возбуждаемые при эксперименте сейсмовибратором СВ5-150М1А и определение АЧХ в характерных точках моста; на полученной МКЭ-модели проводится оценка грузоподъемности в соответствии с действующей нормативной базой. Расчет несущей способности проводится по методике СНиП 2.05.03-84 «Мосты и Трубы» [ПО] с учетом экспериментальных и теоретических данных по каждому дефекту. В качестве исходной информации при создании компьютерной модели использованы данные проекта, а также результаты вибродинамических испытаний пролетных строений и опор. При разработке математической модели ставилась задача получить корректное решение линейной задачи, поэтому из арматуры учитывалась только рабочая арматура в нижнем поясе балок, бетон растянутой зоны моделировался с помощью уменьшения модуля упругости или, в ряде случаев, как местный разрыв узлов модели.

Основные положения и принципы методики

Изменение последовательности или появление других форм колебаний: а) для экспериментального образца говорит о наличии существенного дефекта б) для математической модели говорит об ошибке при моделировании или свойствах Преимущество внедрения методики рассмотрим на конкретном примере повторной диагностики трех пролетного моста стоимость договора 600 тысяч рублей. В испытания проходят в 7 календарных дней. Минимальное количество человек, требуемое при испытаниях: 2 человека расстановка датчиков на ключевые точки пролетного строения (должность техник), водитель для сейсмовибратора. 1 человек запись передаточной функции в реальном времени и корректировка действий и контроль за проведением испытаний (кандидат технических наук) 1 человек визуальный осмотр пролетных строений и составления ведомости дефектов (кандидат технических наук) 127 - снижение связанное с внедрением методики подразумевающее вычитание визуального обследование из перечня операций на мосту и уменьшение минимальной численности человек с 4 до 3. Экономия средств от внедрения методики на трех пролетном мосте составила 38% и составило 230 тысяч рублей. При большем числе пролетов затраты на вибродиагностику вьфастут незначительно, а процент экономии только увеличится. Увеличится точность составления ведомости дефектов за счет инструментальной фиксации дефектов, в замен визуального осмотра. Помимо этого могут возникнуть проблемы с организацией визуального осмотра - при отсутствии подмостей потребуются дополнительное оборудование для осмотра (лодки, лестницы, бинокль). Это повлечет большие затраты по времени. Экономическая эффективность при внедрении методики определяется следующими показателями: снижение человеческого фактора (обследования без визуального осмотра, и дополнительных мероприятий связанных с обследованиям); увеличение точности проводимых испытаний; снижение трудозатрат без моделирования; увеличение безопасности грузоперевозок и уменьшение времени на заключение о текущем состоянии сооружения (экспресс-оценка); выявление наиболее опасных дефектов для конструкции требующих оперативного ремонта и не существенных дефектов не требующих быстрого ремонта. Разработанная методика апробирована при обследовании таких объектов: - обследование моста через р. Волга в г. Твери (Восточного моста); - динамические испытания мостового перехода через озеро Селигер на 124 км автодороги «Торжок - Осташков» в Осташковском районе тверской области; - динамические испытания моста через реку Волга на автодороге Сорокино - Хотошино - Селище. - динамические испытания путепровода через железнодорожные пути октябрьской железной дороги в створе пересечения улицы Мира и Каширского шоссе в городе Торжке. Исследования проводились параллельно с основными испытаниями с целью подтверждения теоретических предпосылок и выявления зависимостей приведенных в положениях методики. l.Ha основе проведенных исследований разработана усовершенствованная методика динамической диагностики железобетонных пролетных строений автодорожных мостов, включающая математическое моделирование и натурные вибродинамические исследования сооружений. Разработанная методика позволяет: а) оперативно определять фактическую несущую способность сооружения; б) определять параметры и местоположение дефектов, в том числе невидимых; в) оценить относительное снижение несущей способности под влиянием отдельно взятого дефекта; г) повысить безопасность работ при обследованиях. 2. На основании экспериментальных данных установлено, что между параметрами дефекта в пролетном строении и первыми тремя собственными частотами колебаний пролетного строения существует количественная зависимость. Использование этой зависимости позволяет диагностировать различные дефекты типовых балочных пролетных строений автодорожных мостов; 3. Экспериментально получены и подтверждены расчетом граничные значения диагностируемых параметров дефектов или повреждений в типовых балочных железобетонных пролетных строениях автодорожных мостов. 4. Впервые составлена классификация дефектов балочных пролетных строений по передаточной функции, дающая оценку несущей способности, выявить параметры наиболее опасных дефектов. 5. Внедрение данной методики позволит проводить экспресс-диагностику дефектов (местоположение, опасность для сооружения) по передаточной функции уже в процессе виброиспытаний, а совместно с дополнительными обследованиями, в том числе визуальными, позволит повысить безопасность мостовых сооружений на автомобильных дорогах. 6. Усовершенствованная методика динамической диагностики железобетонных пролетных строений автодорожных мостов применена на следующих объектах: - динамические испытания мостового перехода через озеро Селигер на 124 км автодороги «Торжок - Осташков» в Осташковском районе тверской области; - динамические испытания моста через реку Волга на автодороге Сорокино - Хотошино - Селище. - динамические испытания путепровода через железнодорожные пути октябрьской железной дороги в створе пересечения улицы Мира и Каширского шоссе в городе Торжке. 7. Разработанная методика динамической диагностики типовых балочных железобетонных пролетных строений автодорожных мостов, является универсальной и может применяться на обследованиях сталежелезобетонных, металлических пролетных строений мостов и различных покрытий для определения дефектного состояния и оценки фактической несущей способности.