Содержание к диссертации
Введение
1 Техническое состояние сталежелезобетонных пролетных строений железнодорожных мостов, методы его оценки. цель и задачи исследования 9
1.1 Краткаяхарактеристика сталежелезобетонных пролетных строений 9
1.1.1 Этапы развития и конструкция сталежелезобетонных пролетных строений 10
1.1.2 Состояние эксплуатируемых пролетных строений 14
1.2 Оценка технического состояния сталежелезобетонных пролетных строений 16
1.2.1 Оценка по нормативным документам 16
1.2.2 Существующие предложения по оценке технического состояния 17
1.2.3 Оценка по динамическим параметрам 19
1.3 Методы идентификации динамических параметров 21
1.4 Цель и задачи исследования 26
2 Натурные и экспериментальные исследования работы сталежелезобетонных пролетных строений железнодорожных мостов 28
2.1 Общая характеристика пролетных строений; 28
2.2 Методика экспериментальных исследований 30
2.3 Определение динамических параметров пролетных строений по» результатам измерений 33
2.3.1 Измерение параметров колебаний 37
2.3.2 Определение собственных частот 42
2.3.3 Собственная частота пролетного строения при различных видах воздействия 50
2.4 Сравнительные испытания исправных и неисправных пролетных строений 61
2.5 Выводы по разделу 75
3 Численное моделирование работы сталежелезобетонных пролетных строений железнодорожных мостов при определении динамических параметров 77
3.1 Основные аналитические зависимости определения собственных частот пролетного строения 77
3.2 Алгоритм определения первой собственной частоты с учетом результатов измерений 80
3.3 Определение численных значений критериев оценки 87
3.4 Выводы по разделу 91
4 Методика экспресс-оценки технического состояния эксплуатируемых сталежелезобетонных пролетных строений по динамическим параметрам 93
4.1 Оценка технического состояния пролетных строений по динамическим
параметрам 93
4.2 Основные положения методики 94
4.3 Последовательность определения диагностируемых параметров 97
4.4 Рекомендации по обработке измерений 100
4.5 Оценка технического состояния по результатам измерения динамических параметров 104
4.6 Экономическая эффективность методики 106
4.7 Выводы по разделу 109
Заключение 111
Литература 115
Приложение 122
- Этапы развития и конструкция сталежелезобетонных пролетных строений
- Определение динамических параметров пролетных строений по» результатам измерений
- Алгоритм определения первой собственной частоты с учетом результатов измерений
- Оценка технического состояния по результатам измерения динамических параметров
Введение к работе
Актуальность проблемы. На сети железных дорог России эксплуатируется более семисот сталежелезобетонных железнодорожных пролетных строений, выполненных по различным типовым проектам. Особенностью этих конструкций является совместная работа стальных балок и железобетонной плиты балластного корыта, объединяемой с главными балками при помощи упоров. Для этих конструкций характерно образование дефектов, вызванных нарушением технологии производства работ при омоноличивании поперечных швов железобетонной плиты. За время эксплуатации (а сейчас средний срок службы таких сооружений составляет 35 лет) в пролетных строениях проявились повреждения (выщелачивание, морозное разрушение, трещины т.п.) и отклонения от требований нормативных документов по их содержанию (недопустимые значения эксцентриситета пути, толщины балластной призмы и др.). Указанные дефекты, повреждения и отклонения могут оказывать существенное влияние на несущую способность и долговечность сооружения.
Оценка технического состояния сталежелезобетонных пролетных строений железнодорожных мостов по действующим нормативным документам требует выполнения большого комплекса работ по их обследованию и испытанию. Эксплуатирующим организациям для обеспечения безопасного и бесперебойного пропуска поездов без ограничения скоростей их движения необходимо оперативно выявлять возникающие в конструкциях неисправности.
Таким образом, исследования, направленные на разработку экспресс-метода оценки технического состояния сталежелезобетонных пролетных строений железнодорожных мостов, снижающего трудоемкость работ и позволяющего оперативно выявлять дефектные пролетные строения, несомненно, актуальны.
Цель и задачи исследования. Целью исследования является совершенствование оценки технического состояния эксплуатируемых сталежелезобетонных пролетных строений железнодорожных мостов на основе анализа их динамических параметров. Для достижения намеченной цели необходимо решить следующие задачи:
- разработать методику определения динамических параметров сталежелезобетонных пролетных строений железнодорожных мостов, алгоритмы и программное обеспечение для обработки результатов измерения характеристик их колебания;
- провести испытания сталежелезобетонных пролетных строений железнодорожных мостов, для определения фактических величин динамических параметров пролетных строений, находящихся в различном техническом состоянии;
- разработать численные модели сталежелезобетонных пролетных строений железнодорожных мостов для определения теоретических граничных значений динамических параметров;
- определить граничные значения динамических параметров сталежелезобетонных пролетных строений железнодорожных мостов, соответствующие исправному или неисправному состоянию, с учетом особенностей их работы и накопленных повреждений;
- разработать методику экспресс-оценки технического состояния сталежелезобетонных пролетных строений железнодорожных мостов по динамическим параметрам.
Научная новизна работы:
-
Впервые по результатам испытаний большого числа эксплуатируемых сталежелезобетонных пролетных строений железнодорожных мостов установлены количественные зависимости между величиной динамических параметров и интенсивностью накопленных неисправностей (дефектов, повреждений и отклонений от норм содержания).
2. На основе натурных испытаний и численного моделирования определены граничные значения динамических параметров сталежелезобетонных пролетных строений железнодорожных мостов, сравнение с которыми позволяет установить наличие неисправностей и их влияние на техническое состояние пролетных строений.
3. Обоснована возможность применения импульсного воздействия малой интенсивности для определения первой собственной частоты колебаний сталежелезобетонных пролетных строений.
Достоверность полученных результатов подтверждена результатами натурных исследований эксплуатируемых пролетных строений и корректным использованием теоретических и численных методов решения задач динамики сооружений (методом конечных элементов).
Практическая ценность и внедрение. Результаты исследований диссертационной работы использованы при разработке «Методики обследования и инструментальной диагностики сталежелезобетонных пролетных строений» (утверждена ОАО «РЖД» в 2008 г.). предложенная методика позволяет оперативно выполнить предварительную оценку технического состояния сталежелезобетонных пролетных строений железнодорожных мостов, давая ответ на вопрос – есть ли в конструкции дефекты и повреждения, существенно снижающие ее несущую способность? При использовании методики учитываются особенности конструкции пролетных строений и некоторые параметры мостового полотна с ездой на балласте. Оценка технического состояния сталежелезобетонных пролетных строений железнодорожных мостов по динамическим параметрам внедрена и применяется при проведении работ на Красноярской, Восточно-Сибирской и Дальневосточной железных дорогах. Результаты исследований, выполненных автором, используются в учебном процессе высших учебных заведений при изучении дисциплины «Обследование и испытание мостов».
Апробация работы. Основные положения диссертационного исследования были доложены и обсуждены на:
LXVI Международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта» в Днепропетровске, 11–12 мая 2006 г.;
Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы Транссиба на современном этапе. Кадровое и научно-техническое обеспечение процессов интеграции в мировую транспортную систему» в Новосибирске, 29–30 ноября 2007 г.;
65-й Всероссийской научно-технической конференции НГАСУ (Сибстрин) «Актуальные проблемы строительной отрасли» в Новосибирске, 8–10 апреля 2008 г.;
VII Международной научно-практической конференции «Проблемы прочности материалов и сооружений на транспорте» в Санкт-Петербурге, 23–24 апреля 2008 г.;
– XXI Всероссийской конференции «Численные методы решения задач теории упругости и пластичности» в Кемерово, 30 июня – 2 июля 2009 г.;
объединенном научном семинаре семи кафедр СГУПСа в Новосибирске, 9 апреля 2010 г.
По теме диссертации опубликовано 12 работ.
На защиту выносятся:
1. Методика оценки технического состояния сталежелезобетонных пролетных строений железнодорожных мостов по динамическим параметрам.
2. Оценка и определение граничных значений динамических параметров сталежелезобетонных пролетных строений железнодорожных мостов, соответствующих исправному или неисправному состояниям.
3. Количественная зависимость между величиной первой частоты собственных колебаний сталежелезобетонных пролетных строений железнодорожных мостов и наличием повреждений в швах железобетонной плиты балластного корыта с учетом особенностей конструкции и параметров мостового полотна.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа изложена на 124 страницах, содержит 52 рисунка и 22 таблицы.
Этапы развития и конструкция сталежелезобетонных пролетных строений
Сталежелезобетонными являются пролетные строения, имеющие стальные и бетонные элементы, совместно работающие в составе единой конструкции. Такое определение дано Н.Н. Стрелецким в работе [65]. На сети железных дорог России эксплуатируются более семисот сталежелезобетонных железнодорожных пролетных строений, выполненных по различным типовым проектам. Особенностью этих конструкций является совместная работа металлических балок и железобетонной плиты балластного корыта, объединяемой с главными балками при помощи упоров.
Широкое использование сталежелезобетонных пролетных строений в железнодорожных мостах связано со строительством Байкало-Амурской железнодорожной магистрали (БАМ). Начало строительства относится к 70-м годам прошлого столетия, когда рост народного хозяйства потребовал освоения территории Восточной Сибири и Дальнего Востока.
Анализ данных разработанной в СГУПСе и внедренной на всех железных дорогах России автоматизированной системы управления содержанием искусственных сооружений (АСУ ИССО) позволил выявить сталежелезобетонные пролетные строения, эксплуатируемые на железных дорогах в настоящее время. Распределение сталежелезобетонных пролетных строений по железным дорогам показано на рисунке 1.1. В настоящее время большинство из указанных пролетных строений имеет срок эксплуатации, приближающийся к предельному, установленному нормативными документами в 60 лет. Актуальность исследования состояния указанных сооружений подтверждается еще и тем, что в планах ОАО «РЖД» по совершенствованию транспортной инфраструктуры до 2030 года Байкало-Амурская магистраль является одним из основных направлений.
Идея использования монолитно связанных металлических балок с железобетонной плитой впервые была высказана в 1935 году Э. Фрейсине (Freyssinet). В одной из своих статей в журнале Genie Civil он указал на желательность использования монолитно связанной железобетонной плиты с продольными металлическими балками в висячих мостах.
В 1939 - 1940 г.г. в Швейцарии была разработана конструкция металлической двутавровой балки объединенной при помощи спирали, приваренной к верхнему поясу балки, с железобетонной плитой. В этой конструкции, получившей название «балки системы альфа», нижний пояс металлической балки имел развитую, по сравнению с верхним поясом, площадь сечения. Основная идея объединенных балок - включение в работу верхнего пояса железобетонной плиты, уже явно показана в этой конструкции. Начиная с 1939 года, начались углубленные экспериментальные и теоретические исследования работы объединенных конструкций. В Германии, СССР, Швейцарии, Чехословакии и других странах были опубликованы работы, содержащие материалы опытных и теоретических исследований.
В железнодорожных мостах сталежелезобетонные пролетные строения стали широко применяться, начиная с середины 70-х годов прошлого столетия, когда институтом Гипротрансмост был разработан типовой проект 3.501-49 инв. № 739 «Металлические железнодорожные пролетные строения с ездой поверху на балласте пролетами 18,2 - 66,0 м в северном исполнении». Этот типовой проект был утвержден в 1970 г. Общее число пролетных строений данного типового проекта по всем железным дорогам Российской Федерации составляет 768 шт. Количественное распределение сталежелезобетонных пролетных строений, выполненных в соответствии с типовым проектом инв. № 739, по расчетным длинам пролетов представлено на рисунке 1.2. Подробное описание конструктивных особенностей можно найти в документах типового проекта инв. № 739. Стальные балки пролетных строений имеют двутавровое несимметричное сечение. Главные балки пролетных строений расчетной длиной 18,2 м, 23,0 м, 27,0 м и 33,6 м выполнены цельноперевозимыми и не имеют монтажных стыков. Главные балки пролетных строений расчетной длиной 45,0 м разбиты на два монтажных блока длиной 22,9 м; главные балки пролетных строений расчетной длиной 55,0 м — на три монтажных блока длиной 17,4 м + 21,0 м + 17,4 м, стыкуемых на высокопрочных болтах. Основные характеристики пролетных строений приведены в таблице 1.1.
Металлические балки соединены системой связей: продольных в уровне нижних поясов балок (крестового типа) и поперечных, установленных с шагом до 5,28 м. На стадии монтажа, когда отсутствует железобетонная плита, устойчивость сжатого верхнего пояса обеспечивают поперечные связи, а после монтажа — плита балластного корыта.
Определение динамических параметров пролетных строений по» результатам измерений
Получаемые в натурных измерениях спектры характеристик сравнивают с теоретическими значениями. Более подробный анализ данных проводится в лабораторных условиях. В результате анализа исследователи получают возможность сравнить зарегистрированные характеристики работы сооружения с необходимыми по условиям прочности. Кроме того, отслеживание изменений характеристик на протяжении определенного периода времени позволяет прогнозировать последующую работу сооружения, иными словами, определить его срок службы. Объем информации, который может быть получен в результате испытаний, ограничивается только финансовыми возможностями владельца сооружения.
Проведение этих испытаний не требует приложения к конструкции управляемых и регулируемых колебаний. Ответная реакция сооружения на воздействие внешних нагрузок в виде колебаний регистрируется в достаточно большом числе точек. С использованием приемов динамической идентификации системы становится возможным определение и анализ частотных характеристик реакции сооружения. Для крупных и гибких сооружений, например, для висячих и вантовых мостов или высотных зданий, весьма сложно и дорого создать механизм регулируемых колебаний, интенсивность которых могла бы быть значительно выше интенсивности колебаний, вызываемых внешним воздействием. Для испытаний описываемым методом достаточно выполнить измерения колебаний, вызванных ветром, движущимся транспортом, приливной волной или микросейсмической активностью. При этом предполагается, что замеренные колебания относительно равномерно распределяются в пределах интересующего инженеров частотного диапазона. Таким образом, собственные частоты и формы колебаний сооружения могут быть идентифицированы, что делает возможным определение демпфирования каждого собственного тона колебаний. Еще одно важное преимущество указанного метода заключается в том, что испытания проводятся в условиях нормальной эксплуатации сооружения, в частности, без прекращения движения транспорта. Более того, движение транспорта становится необходимым источником, обеспечивающим колебания в достаточно широкой полосе частот. Исследования динамики больших и сложных сооружений, особенно мостов, проводятся параллельно в Европе, Америке и Японии. Колумбийский университет и Университет в Коннектикуте в США разработали методы предсказания повреждений.
В Японии и на Дальнем Востоке применение сложных систем мониторинга является достаточно распространенным, для чего разработаны специальные системы датчиков. Однако публикаций по улучшению систем динамической идентификации крайне мало.
Под идентификацией системы понимают определение динамических характеристик моста или иного инженерного сооружения из информации, полученной при регистрации его колебаний. Характеристики колебаний служат исходными данными при калибровке модели сооружения и при составлении алгоритмов задачи выявления повреждений. Работы по развитию методик идентификации проводятся по всему миру [76, 78, 79, 81]. Рассмотрим некоторые из этих методик подробнее.
Отбор пиковых значений. Первый метод определения параметров формы колебаний мостового сооружения, основанный на анализе только выходных сигналов, связанный с определением пиковых значений, очень прост и в тоже время очень эффективен. В соответствии с этим методом собственную частоту колебаний определяют по пиковым значениям осредненных приведенных спектральных плотностей мощности (СПМ). Эти величины получают путем пересчета измеренных виброускорений, используя для этого дискретное преобразование Фурье. Функция когерентности, рассчитанная для двух одновременно зарегистрированных выходных сигналов, близка по своему значению к таковой для частот собственных колебаний. Эта закономерность, кроме того, помогает обнаружить именно те частоты, которые могут быть рассмотрены как собственные. При этом предполагается, что динамическая реакция при резонансе относится только к собственному тону. Практическая ценность этого предположения возрастает по мере более полного разделения форм колебаний при малом демпфировании системы.
Описанный метод с успехом апробирован в Австрии и Швейцарии на большом числе сооружений. Метод наименьших квадратов. Английское название этого метода Least Square Method. Если предположить, что система возбуждается стационарными белыми шумами, то корреляционные функции между реактивными сигналами можно выразить в виде суммы затухающих синусоид. Это было доказано достаточно большим числом экспериментов. При этом каждая затухающая синусоида характеризуется своим коэффициентом демпфирования, который идентичен коэффициенту демпфирования соответствующей формы колебаний самого сооружения. Таким образом, классические приемы определения параметров форм колебаний с использованием импульсных реактивных функций оказываются также пригодными для извлечения параметров формы колебаний из объема информации о реакции сооружения, измеренной в условиях его нормальной эксплуатации.
Метод определения собственных форм. Реальные собственные формы колебаний конкретного сооружения состоят из форм колебаний, соответствующих его собственным частотам. Поэтому формы колебаний, помимо и после собственных частот колебаний, являются вторым важным количественным источником информации, который описывает динамическое поведение сооружения. Результаты измерений колебаний сооружения в целом, полученные от датчиков, которые расположены в отдельных точках сооружения, содержат единичные объемы информации о первичных формах колебаний. Из этих первичных форм колебаний складывается описание динамического поведения всего сооружения для тех конкретных точек, где установлены датчики. После определения собственных частот по графическому представлению функции спектральной плотности, замеренные величины ускорения преобразуют с помощью двойного интегрирования в характеристики перемещений. Преобразование зависимостей перемещений от времени, в зависимости от частоты и нормирование спектра перемещений позволяет определить перемещения на каждой собственной частоте и для каждой точки измерения.
Алгоритм определения первой собственной частоты с учетом результатов измерений
Первый - это колебания после схода поезда с моста. Ввиду большой вертикальной жесткости пролетного строения такие колебания быстро затухают. В записанных после схода поезда виброграммах участок свободных колебаний может иметь всего несколько периодов. Второй случай — это проведение специальных динамических испытаний, ориентированных именно на получение собственных частот. В соответствии с п. 3.19 СНиП 3.06.07-86 [59] для возбуждения свободных колебаний предлагается использовать нагрузки, способные вызвать появление устойчивых колебаний (ударные, вибрационные, ветровые, сейсмические). Места измерения реакции, а также места приложения нагрузок строго не регламентированы, и их рекомендуется выбирать с учетом предполагаемых форм колебаний. Для решения задачи об определении возможных форм колебаний пролетного строения, находящегося в неисправном состоянии (имеющего повреждения в швах плиты), было проведено теоретическое исследование динамических параметров пролетного строения. В среде COSMOSM была создана конечно-элементная модель пролетного строения с расчетным пролетом Lp = 23.00 м, показанная на рисунке 2.5. Железобетонная плита балластного корыта моделировалась 8-й узловыми объемными элементами, металлическая балка — 4-х узловыми пластинчатыми элементами, а связи — пространственными 3-х узловыми трехмерными балочными элементами. Балласт моделировали как массу, приложенную на уровне верха плиты путем изменения плотности верхнего слоя плиты балластного корыта. Упругая работа опорных частей в модели не учитывалась.
Соответствие конечно-элементной модели рассматриваемому пролетному строению было проверено статическими расчетами на постоянную и временную проектные нагрузки, показавшими удовлетворительное совпадение теоретических значений прогибов в середине пролета и напряжений в поясах балок с проектными значениями.
Для принятой расчетной схемы были определены три низшие частоты и соответствующие им формы собственных колебаний пролетного строения для исправного состояния конструкции и при различных степенях повреждения поперечных швов, учитываемых в исходной модели последовательным снижением модуля упругости материала швов. Результаты расчетов приведены в таблице 2.2 и на рисунке 2.6.
Сравнение форм колебаний, полученных расчетом при наличии повреждений в плите, показало, что в зависимости от расположения разрушенного шва по длине пролета и их количества, меняются не только частота, но и форма колебаний основного тона. Основной становится крутильная форма, а вертикальные колебания оказываются колебаниями второго тона. Этот факт указывает на то, что при измерениях параметров собственных колебаний эксплуатируемых пролетных строений необходимо кроме частот получать информацию и о соответствующих им формах колебаний. Следует так же отметить, что частота первого тона собственных колебаний пролетного строения значительно (почти в два раза) уменьшается при наличии дефектов в железобетонной плите, т.е. является чувствительной характеристикой, и ее использование для мониторинга технического состояния может оказаться перспективным.
Таким образом, анализ результатов теоретического определения динамических параметров показал, что первая форма колебаний комбинированного стержня, каковым является сталежелезобетонное пролетное строение, может представлять собой как изгибные, так и крутильные колебания. Изгибные формы колебаний характерны для исправных пролетных строений. Крутильные колебания появляются, когда в швах омоноличивания плиты имеются дефекты и повреждения. При любой из этих форм собственных колебаний наибольшие амплитуды колебаний имеют точки в сечении в середине пролета.
В соответствии с п. 3.23 СНиП 3.06.07-86 [59] во время динамических испытаний с помощью систем сбора информации должны быть зарегистрированы общие перемещения сооружения (например, прогибы в середине пролета, смещения концов пролетного строения на подвижных опорных частях), а также, в необходимых случаях, перемещения и деформации (напряжения) в отдельных элементах сооружения. Но часто отсутствие неподвижных точек не позволяет измерить перемещения. В таких случаях измеряемой величиной часто становится ускорение.
Для измерения ускорений наиболее подходящим и часто применяемым элементом системы сбора информации является вибродатчик, служащий для преобразования механических колебаний в электрический сигнал. На сегодняшний день можно утверждать, что самым надежным датчиком, обеспечивающим к тому же и наибольшую точность преобразований, является акселерометр. Наиболее распространенным типом акселерометров является акселерометр со встроенным усилителем заряда, питание на который поступает от управляющего модуля (или анализатора) по тому же проводу, что и измеряемый сигнал. Для оперативной оценки динамических параметров информация о параметрах собственных колебаний должна быть извлечена из полученных виброграмм с помощью программных средств обработки сигналов, как правило, являющихся частью измерительного комплекса.
Рекомендуемой для измерения величиной принято ускорение точек в среднем сечении элементов пролетного строения при свободных колебаниях. Для выполнения измерений была применена измерительная система (ИС) «Тензор МС» [7], разработанная в Сибирском государственном университете путей сообщения группой специалистов в составе с.н.с. И.И. Снежкова, к.т.н., доц. Л.Ю. Соловьева, к.т.н., доц. А.Н. Яшнова под руководством д.т.н., проф. С.А. Бокарева и при участии автора. В состав ИС «Тензор МС» входят: измерительный блок системы, карманный компьютер класса Pocket PC, датчики деформаций и вибродатчики -акселерометры. Комплекс зарегистрирован в Государственном реестре средств измерения и имеет сертификаты Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии RU.C.27.007.A № 31740 и RU.C.34.007.A № 32603. Измерительный блок системы имеет восемь каналов для подключения датчиков и состоит из электронного контролера и модуля передачи данных Bluetooth. Управление системой и сохранение данных осуществляется командами карманного компьютера.
В качестве первичного преобразователя в акселерометрах комплекса применен пьезоэлектрический однокомпонентный сейсмоприемник А1612 (предприятие ЗАО "Геоакустика"), предназначенный для преобразования ускорений, действующих вдоль его измерительной оси, в пропорциональные электрические сигналы. Некоторые технические параметры сейсмоприемника приведены в таблице 2.3.
Оценка технического состояния по результатам измерения динамических параметров
На изменение работы пролетных строений в значительной степени влияет нарушения монолитности плиты балластного корыта и уменьшение ее жесткости из-за наличия трещин между бетоном омоноличивания швов и бетоном плит и разрушения монолитного бетона. Практически на всех исследованных пролетных строениях, швы омоноличивания которых имели зазоры между бетоном шва и бетоном плиты, зафиксированы повышенные напряжения в поясах, хотя поверхностная прочность бетона омоноличивания швов на этих конструкциях, как правило, была не многим меньше проектной прочности бетона. Таким образом, критерием снижения несущей способности сталежелезобетонных пролетных строений может быть принят уровень напряжений в верхнем поясе главных балок, поскольку далеко не всегда высокая прочность бетона в стыках соответствует нормальной работе пролетного строения и наоборот. Уровень напряжений в верхнем поясе однозначно характеризует степень включения железобетонной плиты в совместную работу с металлическими балками и может быть использован как параметр оценки неисправности пролетного строения. В процессе работ по обследованию и испытаниям пролетных строений было выявлено пять пролетных строений, имеющих значительные повреждения в швах омоноличивания плиты балластного корыта, информация о которых приведена в таблице 2.10. Для исправных пролетных строений отклонение не превышает 5 %. На пролетном строении, имеющем повреждение только одного шва в середине пролета, оно составляет 12 %. Для пролетов с полностью разрушенными швами уменьшение частоты достигает 33 %. Следовательно, можно сделать вывод о том, что уменьшение частоты более чем на 10%, может считаться признаком наличия неисправности в плите и является основным условием, положенным в основу метода экспресс-оценки технического состояния.
На рисунке 2.36 приведены значения первой собственной частоты для неисправных пролетных строений, напряжения в верхних поясах которых превышали расчетные значения при проектной жесткости (показаны треугольными маркерами) и частоты исправных пролетных строений (показаны квадратными маркерами). На графике рисунка 2.36 достаточно четко выделяется область, соответствующая исправному состоянию конструкций (т.е. имеющих проектную жесткость сечений). Частоты исправных пролетных строений располагаются в зоне, не превышающей 15 % расчетных значений для толщины балласта равной 35 см.
Зависимость между частотами исправных и неисправных пролетных строений Если принять за показатель степени разрушения железобетонной плиты напряжения в верхних поясах металлических балок, полученные по результатам статических испытаний пролетных строений, и сравнить их с величиной первой (низшей) собственной частоты, полученной по результатам обработки виброграмм, то зависимость между частотой и напряжениями для обследованных пролетных строений будет выражаться графиками, приведенными на рисунке 2.26. Анализируя по графикам рисунка 2.26 зависимость между измеренными напряжениями и частотами для пролетных строений с одинаковым пролетом, можно констатировать, что значение частоты имеет тенденцию к уменьшению с увеличением напряжений.
В результате проведенных работ было выполнено обследование и проведены испытания 261 сталежелезобетонного пролетного строения, эксплуатируемого на Красноярской, Восточно-Сибирской и Дальневосточной железных дорог.
Основной проблемой обследованных и испытанных пролетных строений является наличие в швах омоноличивания плиты балластного корыта неисправностей, оказывающих влияние на их грузоподъемность. Даже при наличии только одного дефектного шва, расположенного в середине пролета, класс пролетного строения по грузоподъемности уменьшается почти в два раза.
За счет разрушения бетона в швах омоноличивания плиты или потери контакта между бетоном швов и самой плиты последняя частично выключается из совместной работы со стальными балками. Измерение деформаций в верхних поясах металлических балок во время статических испытаний и определение соответствующих им напряжений, позволяют в полной мере оценить степень включения плиты в совместную работу с металлическими балками.
Для возбуждения процесса колебаний пролетного строения с целью идентификации величины первой собственной частоты достаточно приложить к конструкции слабое импульсное воздействие, эквивалентное падению груза массой 80 — 100 кг с высоты 30-50 см. Импульсное воздействие должно быть приложено как по оси пролетного строения, так и с эксцентриситетом относительно продольной оси. Такая схема приложения импульсного воздействия позволит инициировать в конструкции крутильные формы колебаний, которые, как показали результаты расчетов с повреждениями в плите, могут появиться у неисправных пролетных строений. По результатам многочисленных измерений следует констатировать, что акселерограммы, полученные от слабого импульсного воздействия, обладают информативной спектральной характеристикой, позволяющей определить значение первой собственной частоты. Определение первой собственной частоты по виброграммам, записанным после прохода поездной нагрузки, обладают более изрезанным спектром, что затрудняет определение первой собственной частоты, а в некоторых случаях, делает определение невозможным.
Для сталежелезобетонных пролетных строений эксплуатируемых мостов, имеющих повреждения в швах омоноличивания плиты балластного корыта, отмечено уменьшение величины первой собственной частоты по сравнению с ее значениями для исправных пролетных строений.
Анализ результатов измерения собственных частот на исправных и неисправных пролетных строениях и сравнение их величин с расчетными значениями, полученными для исправных пролетных строений с учетом массы балласта, показал, что отклонение измеренной первой собственной частоты более чем на 10 % от расчетного значения, является признаком наличия повреждения в плите, и будет служить граничным значением для методики экспресс-оценки технического состояния эксплуатируемых сталежелезобетонных пролетных строений. Уменьшение измеренного значения собственной частоты более указанной величины будет свидетельствовать о необходимости углубленного исследования технического состояния при эксплуатации.
