Содержание к диссертации
Введение
I Краткий аналитический обзор развития неразрушающих методов диагностики и контроля качества строительных конструкций 10
1.1 Методы неразрушающих испытаний образцов и строительных конструкций 10
1.2 Анализ развития вибрационных методов контроля 12
1.2.1 Испытания в режиме свободных колебаний 14
1.2.2 Испытания конструкций в режиме вынужденных колебаний 18
1.3 Возможные пути устранения недостатков вибрационных методов 20
1.4 Другие возможности вибрационных методов 25
1.5 Использование новых динамических характеристик строительных конструкций 26
1.6 Промышленные средства измерений для проведения неразрушающих вибрационных испытаний строительных конструкций 27
1.7 Перспективные направления исследований 31
II Методы контроля качества конструкций балочного типа с использованием коэффициентов нелинейных, искажений и амплитудной модуляции 34
2.1 Общие сведения о коэффициенте нелинейных искажений 34
2.1.1 Обработка акустических сигналов 34
2.1.2 Статическая характеристика нелинейных искажений 35
2.1.3 Общие сведения о коэффициенте нелинейных искажений - 37
2.2 Сведения о коэффициенте амплитудной модуляции 38
2.2.1 Общие положения 38
2.2.2 Амплитудная модуляция. Коэффициент модуляции 38
2.3 Использование коэффициента нелинейных искажений для контроля качества строительных конструкций 42
2.3.1 Методика использования коэффициента нелинейных искажений 46
2.4 Использование коэффициента амплитудной модуляции для контроля качества строительных конструкций 48
2.4.1 Методика использования коэффициента амплитудной модуляции 50
III Экспериментальные исследования по контролю качества конструкций балочного типа с использованием коэффициентов нелинейных искажений и амплитудной модуляции 54
3.1 Стенды и приборы для испытания балок з
3.1.1 Стенд и приборы пря проведения вибрационных испытаний железобетонных балок 54
3.1.2 Стенд и приборы для проведения вибрационных испытаний составных деревянных балок 57
3.2 Испытания железобетонных перемычек 8ПБ-13-1 60
3.2.1 Использование коэффициента нелинейных искажений 61
3.2.2 Использование коэффициента амплитудной модуляции 66
3.3 Испытания деревянных составных балок (2800x100x50 мм) 72
3.4 Испытания болыиеразмерных железобетонных моделей балок 77
3.5 Определение жесткости горизонтального шва составной деревянной балки с использованием коэффициента нелинейных искажений 86
3.6 Составная балка повышенной жесткости соединительного шва 99
Основные выводы 103
Список использованных источников 104
- Анализ развития вибрационных методов контроля
- Использование новых динамических характеристик строительных конструкций
- Общие сведения о коэффициенте нелинейных искажений
- Стенд и приборы для проведения вибрационных испытаний составных деревянных балок
Введение к работе
Актуальность темы. Диагностика и контроль качества строительных конструкций при их изготовлении и в период эксплуатации является по-прежнему одной из важнейших проблем строительной отрасли хозяйства в нашей стране. Существует множество различных методов диагностики и контроля качества строительных конструкций. Для железобетонных конструкций балочного типа современными нормами регламентируются разрушающие статические испытания, что достаточно трудоёмко и неэффективно. Неразрушающие методы, как правило, позволяют контролировать лишь отдельные физико-механические характеристики конструкций, каждая из которых не даёт общей интегральной оценки их состояния и качества.
Среди неразрушающих методов в последние десятилетия интенсивно развиваются вибрационные методы, которые позволяют во многих случаях получить интегральные оценки состояния и качества конструкции в целом, являются нетрудоемкими и достаточно простыми в реализации. В этих методах критерием оценки качества конструкции являются частоты поперечных и продольных собственных или резонансных колебаний. Исследования последних лет, проведенные в ФГБОУ ВПО «Госуниверситет - УНПК» (г. Орёл), показали, что эти критерии не являются чувствительными ко многим дефектам и повреждениям конструкции, и их точность остается невысокой.
Поэтому одной из актуальных проблем в рассматриваемом направлении исследований является поиск новых динамических критериев, обладающих высокой чувствительностью к дефектам и повреждениям строительных конструкций, а, следовательно, к повышению точности оценок при диагностике их состояния и контроле качества.
Среди таких динамических критериев заслуживают внимания коэффициенты нелинейных искажений и амплитудной модуляции, которые широко используются для анализа работы и оценки нелинейных динамических свойств электронных радиотехнических систем. Как показали наши исследования, многие законы динамики электронных радиотехнических систем имеют аналоги в динамике механических систем, и могут быть использованы для диагностики и контроля качества строительных конструкций балочного типа.
Объект и предмет исследования. Объектами исследования являются железобетонные перемычки и составные деревянные однопролетные балки, а предметом исследования - методы вибрационной диагностики и контроля качества строительных конструкций.
Целью диссертационной работы является разработка экспериментально-теоретических методов оценки состояния и контроля качества железобетонных и составных деревянных балок с использованием коэффициентов амплитудной модуляции и нелинейных искажений.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- исследовать аналогию между параметрами, характеризующими динамику
электрических (радиотехнических) колебательных систем и механических колебательных систем в виде строительных конструкций балочного типа;
разработать вибрационные способы диагностики состояния и контроля качества строительных конструкций балочного типа с использованием новых для строительных конструкций динамических критериев - коэффициента нелинейных искажений и коэффициента амплитудной модуляции;
разработать методики практической реализации предложенных способов;
провести экспериментальные исследования по динамическому испытанию железобетонных перемычек и деревянных составных балок, выявить закономерности их поведения в зависимости от используемого материала и конструктивных особенностей;
разработать способы и методики определения количества нагелей в составной балке и жесткости горизонтального шва.
Методы исследования. В ходе проведения теоретических исследований использовались методы аналогий. При подготовке моделей балок для испытаний использовались методы геометрического и физико-механического моделирования строительных конструкций; при проведении экспериментальных исследований и обработке полученных результатов - методы экспериментальной механики и математической статистики.
Достоверность научных положений и результатов подтверждается использованием фундаментальных принципов моделирования строительных конструкций и большим объемом экспериментальных исследований балок из различного материала.
Научная новизна полученных результатов.
При проведении теоретических и экспериментальных исследований получены следующие новые научные результаты:
Предложены новые для строительных конструкций динамические критерии для диагностики состояния и контроля качества конструкций балочного типа - коэффициент нелинейных искажений и коэффициент амплитудной модуляции.
разработаны вибрационные способы и методики определения интегральных физических параметров строительных конструкций балочного типа:
два способа контроля качества железобетонных балок с использованием коэффициентов нелинейных искажений и амплитудной модуляции;
два способа определения площади рабочей арматуры и модуля упругости бетона в железобетонных балках с использованием коэффициента нелинейных искажений;
два способа определения эффективного числа нагелей и коэффициента жесткости горизонтального шва в деревянных составных балках;
3 проведён большой объем экспериментальных исследований с железобе
тонными балками и составными деревянными балками, в ходе которых установ
лены функциональные связи контролируемых физических параметров конструк
ций с коэффициентами нелинейных искажений и амплитудной модуляции.
Практическая ценность и реализация работы.
Разработанные в диссертации вибрационные способы диагностики состояния и контроля качества строительных конструкций балочного типа могут найти широкое применение как при обследовании зданий и сооружений, так и при контроле
качества изготовления конструкций на заводах-изготовителях.
Результаты работы рекомендуется использовать в учебном процессе строительных вузов при изучении дисциплины «Обследование и испытание сооружений».
На защиту выносятся следующие положения и результаты:
два новых для строительных конструкций динамических критерия для оценки состояния и контроля качества конструкций балочного типа - коэффициент нелинейных искажений и коэффициент амплитудной модуляции;
два вибрационных способа диагностики и контроля качества балок из любого материала и два способа определения количества нагелей и жёсткости горизонтального шва составных балок;
методики реализации предложенных способов;
результаты испытания железобетонных балок и деревянных составных балок.
Диссертационная работа выполнялась в рамках двух научных проектов:
по аналитической ведомственной целевой программе «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 гг.)»;
по федеральной программе «Проведение научных исследований коллективами образовательных центров в области строительных технологий» в 2009-2011 гг.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы обсуждались и докладывались на студенческих научных конференциях ОрелГТУ в 2005...2007 гг.; на научных конференциях профессорско-преподава-тельского состава университета в 2008...2011 гг.; на Международной научно-технической конференции «Механика неоднородных деформируемых тел: Методы, модели, решения» (Севастополь, 2007 г.); на 3-й Международной выставке-конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности» (Москва, 2009 г.).
Научный дипломный проект, выполненный на эту же тему, участвовал в международном конкурсе студенческих дипломных проектов и работ стран ЕС и СНГ в 2008 году в Праге и получил третье место; третье место присуждено за этот же проект в конкурсе студенческих дипломных проектов и работ строительных вузов РФ, проводимой по эгидой фонда имени профессора А.И. Бартоломея в 2008 году.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 научных работ, в том числе: 7 статей (5 - в журналах, рекомендованных ВАК для публикации материалов кандидатских диссертаций), 2 патента на изобретения.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, общих выводов, библиографии, включающей 98 наименований. Работа изложена на 154 страницах, включая 34 рисунка, 9 таблиц и приложения.
Анализ развития вибрационных методов контроля
Проблема контроля качества строительных конструкций всегда имела актуальное значение и наибольшего своего развития достигла в период широкомасштабного строительства в СССР (1960-1980 гг.). Теоретические и экспериментальные исследования того времени, выполненные в научно-исследовательском институте бетона и железобетона (ВОИИЖБе) и отдельными научно-практическими коллективами под общим научным руководством НИИЖБа, позволили значительно поднять уровень служб ОТК заводов железобетонных-изделий (ЗЖБИ), повысить культуру производства. В те же годы осо » — -бенно остро проявилась новая проблема, связанная с контролем физико-механических свойств строительных конструкций, находящихся в условиях эксплуатации, при реконструкции зданий и сооружений, и, в частности, в железобетонных конструкциях с ограниченной информацией об армировании и свойствах бетона.
Среди известных методов контроля качества строительных конструкций различаются разрушающие и неразрушающие методы.
Разрушающий метод контроля прочности, жесткости и трещиностойкости железобетонных конструкций регламентируется ГОСТ 8829-85 [83]. Этот метод предполагает проведение периодических испытаний определенной выборки изделий из некоторой партии до разрушения. Естественно, что прошедшие такие испытания изделия не могут быть в дальнейшем использованы, что приводит к выходу из строя до 1% готовых конструкций. Кроме того, этот метод не дает гарантии качества и надежности всех конструкций из контролируемой партии.
Более выгодны с экономической точки зрения неразрушающие испытания конструкций, среди которых особое место занимают вибрационные (резонансные) методы. Однако в настоящее время в нашей стране эти методы практически не используются. Лишь на некоторых ЗЖБИ применяются неразрушающие методы пооперационного (дискретного) контроля ряда технологических операций. Интегральные же методы оценки параметров качества уже готового изделия применяются на отдельных заводах по ведомственным нормативным документам по инициативе руководителей-энтузиастов.
В последние годы организация контроля качества железобетонных конструкций на ЗЖБИ в нашей стране существенно ухудшилась. На многих предприятиях резко сократилась численность служб ОТК, практически повсеместно не проводится пооперационный контроль по полной технологической схеме. Работы по изготовлению строительных конструкций ведутся без лицензирования. Государственный контроль за этой сферой деятельности существенно снизился и практически не ведётся.
Диагностика работоспособности разнообразных деталей и агрегатов машин с помощью вибрационных и акустических методов широко применяется специальном машиностроении (авиа-, судо- и автомобилестроении) [6, 16, 45, 61]. При этом используемые методы и способы контроля основаны на фундаментальных закономерностях строительной механики, установленные, как правило, учеными-специалистами в области строительства. Почему же сложилась такая парадоксальная ситуация в диагностике строительных конструкций?
По нашему мнению основными причинами такого положения являются следующие: - отсутствие приемлемых научных разработок по применению вибрационных методов для контроля параметров качества конкретных строительных конструкции; - отсутствие надежного и удобного в эксплуатации приборного комплекса и средств контроля для проведения динамических испытаний; - низкая культура производства на предприятиях стройиндустрии; - отсутствие у производственников мотивации в повышении качества строительных конструкций; - слабая законодательная база по ответственности за низкое качество выпускаемых конструкций. В настоящее время в области неразрушающего контроля качества железобетонных конструкций в нашей стране четко обозначились две тенденции развития, основанные на двух принципиально различных подходах — это дискретные методы и интегральные. В первом случае оценивают значения отдельных параметров качества в результате пооперационного контроля технологических операций при изготовлении конструкций. Во втором случае оценка параметров качества осуществляется по некоторым обобщенным характеристикам, чаще всего по динамическим (вибрационный метод).
В отношении интегральных вибрационных методов контроля среди многих специалистов по железобетонным конструкциям существует определенный скепсис. Высказываются сомнения в эффективности их использования применительно к готовым- длинномерным конструкциям [3]; этим методам отводится роль лабораторных при исследовании образцов и мелкоштучных изделий [13, 38]: Эти сомнения в определенной-степени-обоснованы, поскольку вибрационный метод в первоначальном-виде не отвечал требованиям, в соответствии с которыми можно было бы полностью отказаться от проведения разрушающих испытаний по ГОСТ 8829-85. Сегодня можно сказать с определенностью, что первый подход возобладал над вторым, и это не замедлило сказаться на резком снижении количества теоретических и экспериментальных работ по развитию интегральных методов контроля. Достаточно сказать, что за последние 15-30 лет, за исключением книги Э. Сехниашвили [53], не появилось сколько-нибудь новых серьезных теоретических разработок в этом направлении, а авторских свидетельств и патентов на изобретения по этой тематике с 1970 г. практически не выдавалось вообще, кроме изобретений и патентов авторского коллектива, руководителем которого является профессор В.И. Коробко.
Рассмотрим возможности двух отмеченных выше подходов к реализации неразрушающих методов контроля качества железобетонных конструкций, исходя из современного научного и технического состояния в этой области исследований.
Пооперационный контроль технологических процессов, включая определение прочности бетона, толщины защитного слоя в изделии, расположения рабочей арматуры и ее диаметра необходим, но недостаточен для гарантированной оценки контролируемых характеристик прочности (несущей способности), де-формативности (жесткости и трещиностойкости), а также величины предварительного напряжения арматуры в готовых железобетонных конструкциях.
Известные неразрушающие методы определения прочности бетона в строительных конструкциях обладают рядом недостатков.
Механические методы [74], основанные на вдавливании штампа в бетонную поверхность [24], вдавливании ударника в поверхность бетона и эталона [2, 25], измерении упругого отскока ударника [24], измерении прочности отрывом [26] или скалыванием ребра [27] и др., позволяют определять прочность бетона лишь в поверхностном или приповерхностном слоях конструкций и не обеспе-. чивают выявления истинных значений качественных показателей прочностных характеристик готовых изделий [1].
Использование новых динамических характеристик строительных конструкций
Несмотря на относительно продолжительное применение интегрального метода [82] для оценки степени преднапряжения арматуры в изделиях, до сих пор не был создан прибор для его реализации. Разработанная нами новая модификация вибрационного метода неразрушающего контроля [47], позволяющая аналитически оценивать характеристики качества контролируемых изделий по частоте их колебаний, впервые позволила вплотную подойти к приборной реализации этого метода. В результате был разработан и создан опытный образец микропроцессорного прибора для интегральной оценки прочности, жесткости, трещиностойкости и величины преднапряжения .арматуры, в-готовом изделии,- - _ . [63]. Доработка и внедрение этого прибора на предприятиях сборного железобетона дадут возможность решить проблему осуществления сплошного автоматизированного экспресс-контроля качества выпускаемых конструкций.
Для решения этих задач перспективной является разработка средств контроля на основе однокристальных микроЭВМ. Такие узкоспециализированные приборы должны быть рассчитаны на проведение неразрушающего контроля конкретной серийной продукции, как правило, выпускаемой в рамках одного завода-изготовителя. С учетом специфики заводского контроля они должны отвечать определенным требованиям, прежде всего, таким как: портативность, экономичность в работе, простота и надежность в эксплуатации, высокая точность и помехозащищенность, широкий диапазон регистрируемых параметров, универсальность в применении. Если учесть невысокую стоимость этих средств контроля и возможность их перепрограммирования под другие типы конструкций, то, несомненно, освоение и выпуск таких приборов будет содействовать быстрому и широкому внедрению вибрационного метода на предприятиях стройиндустрии. Такими приборами можно было бы оснащать и службы Госстандарта России.
Перспективным направлением является также внедрение на ЗЖБИ спе циализированных автоматизированных комплексов на базе персональных ком пьютеров типа IBM PC для проведения динамических испытаний готовой про дукции, что позволит: — управлять самим процессом проведения испытаний; дополнительно по высить точность определения динамических параметров; - существенно повысить информативность неразрушающего контроля за счет возможности получения и анализа большего количества параметров изде лий, например, при проведении комплексного контроля с использованием раз личных форм и гармоник колебаний, режимов и способов их возбуждения и т. д.; - проводить дополнительные динамические испытания и-исследования с целью отработки методик под специфические требования заказчиков; .. —обеспечить любую форму представления результатов контроля;? - - накапливать статистическую информацию.
Следует учитывать, что использование таких комплексов потребует определенных затрат на подготовку высококвалифицированного персонала, оснащение постов контроля и организацию проведения контроля.
Немаловажную роль играет и совершенствование механической части вибрационных стендов, поскольку с появлением быстродействующих средств контроля, время, затрачиваемое на проведение испытаний в основном уходит на подготовительные операции, связанные с установкой и закреплением изделия на опорах, установкой на нем измерительных преобразователей, с приведением в рабочее состояние устройства возбуждения колебаний и т.д.
Не смотря на определенные успехи в развитии теоретических и методологических основ вибрационных методов диагностики и контроля качества строи 32 тельных конструкций, они не нашли широкого распространения в строительстве. Это, в первую очередь, объясняется отсутствием мотивации как у строителей, так и у ученых, способствующей внедрению передовых методов диагностики строительных конструкций на предприятиях строительной индустрии, и государственной поддержки этого сектора строительных наук. И, тем не менее, развитие рассматриваемого направления исследований остаётся по-прежнему перспективным.
Обобщая результаты, приведенные выше в настоящем кратком аналитическом обзоре, можно выделить ряд перспективных проблем, которые требуют своего решения. Среди таких проблем следует отметить: - определение приведенной изгибной жесткости и жесткости горизон тального шва составных конструкций балочного типа независимо от вида мате риала; - определение жесткости решёток ферм с параллельными поясами; - использование свойств коэффициента амплитудной модуляции и коэффициента нелинейных-искажений для разработки.новыххпособов оценки нели нейных свойств строительных конструкций, а также их жесткости, трещино-стойкости и прочности; - разработка конструктивно простых, надежных в работе, помехоустойчивых и универсальных в эксплуатации средств первичного преобразования перемещений и виброперемещений с возможностью варьирования в широких пределах чувствительностью и динамическим диапазоном перемещений; - доработка специализированных приборов, предназначенных для измерения механических напряжений в арматуре частотным методом с созданием средств обработки информации, получаемой при вибрационных испытаниях, которые помимо автоматизации самого процесса контроля позволяли бы решать задачи повышения точности измерений, разрешающей способности, помехозащищенности;
Общие сведения о коэффициенте нелинейных искажений
При использовании вибрационных методов контроля качества строительных конструкций в них возбуждают, как правило, свободные колебания на основной частоте или вынужденные колебания на первой резонансной частоте. Многие строительные конструкции обладают определённой степенью нелинейности, причиной которой могут быть: — нелинейные физические свойства материала, из которого изготовлены конструкции (железобетонные конструкции); , w .. - - г - - — податливость нагельных соединений в составных конструкциях (в основном деревянные составные стержни и балки); — наличие дефектов и повреждений, приобретенных при изготовлении конструкций или в процессе эксплуатации в сооружении (коррозия бетона, металла, неплотное сцепление арматуры с бетоном, проскальзывание рабочей арматуры в опорных узлах, поперечные, наклонные и продольные трещины в железобетонных конструкциях, сколы, местные деформации и др.).
При механических колебаниях конструкций наличие указанных причин влияет на амплитудно-частотные характеристики, описывающие колебательный процесс рассматриваемой системы. Это влияние будет аналогично влиянию ёмкостных сопротивлений в хорошо изученных электронных радиотехнических системах, поскольку законы динамики колебательных систем любой природы одни и те же. Поэтому можно высказать гипотезу о том, что динамические характеристики, описывающие колебательный процесс электрических нелинейных цепей, по своей физической сущности бу 43 дут аналогичны соответствующим характеристикам, описывающим колебательный процесс нелинейных механических систем. Другими словами, коэффициенты нелинейных искажений и амплитудной модуляции, подсчитанные для строительных конструкций балочного типа, находящихся в условиях колебательного процесса, будут интегрально характеризовать как нелинейность системы, так и её добротность (качество): чем больше коэффициент нелинейных искажений, тем ниже качество конструкции. Для сравнения этих динамических параметров и оценке качества конструкций необходимо найти их значения для эталонной конструкции, выполненной при строгом соблюдении и контроле всех технологических операций при её изготовлении. Степень отклонения контролируемого параметра эталонной конструкции от соответствующего параметра конструкции серийного изготовления будет интегрально характеризовать качество последней.
Проверить высказанную гипотезу можно только опытным путем, проведя серию экспериментов на конструкциях, изготовленных.из разньссматериат. .,„ лов, поскольку в научной литературе отсутствуют какие-либо теоретические исследования функциональных связей рассматриваемых динамических характеристик с контролируемыми параметрами качества. Для этого необходимо разработать и изготовить установки (стенды), на которых будут производиться испытания, разработать методики проведения экспериментов, способы использования коэффициентов нелинейных искажений и амплитудной модуляции для диагностики состояния и контроля качества конструкций.
При решении задач, связанных с оценкой физико-механических свойств деформируемых конструкций с помощью вибрационного метода, целесообразно оценить влияние нелинейности колебательной системы, что можно достичь путем изучения ее частотного спектра и, в первую очередь, распределения энергии по этому спектру между основным тоном и его кратными и некратными гармониками. Свойства, присущие кратным и некратным гармоникам, существенно различаются. Кратные гармоники имеют набор фиксированных значений частот, кратных основному тону, а некратные - имеют не 44 прерывный спектр, и их вклад в результирующие колебания незначителен.
Это объясняется их различной природой. Кратные гармоники вызваны нелинейностью самой колебательной системы, а некратные — паразитной акустической эмиссией, обусловленной проявлением различных микродефектов в материале. На практике в большинстве случаев влиянием некратных гармоник можно пренебречь вообще.
Для количественной оценки вклада кратных гармоник в спектр колебаний контролируемой конструкции можно использовать известный из радиотехники параметр - коэффициент нелинейных искажений Кни, который определяется по спектральному составу колебаний по формуле [6, 7, 10]: Кни = 100%V(A + А32 +...)/(А? + А2 +А2 +...) , (2.8) где Ai — амплитуда основного тона колебаний, А2, А3, ... - амплитуды последующих гармоник.
Учитывая, что в реальных колебательных системах с невысокой степенью нелинейности (Кни 10 %) вкладом гармоник выше третьей в общий спектр колебаний можно пренебречь (ввиду их незначительной амплитуды), то для нахождения Кни рекомендуется пользоваться упрощенным выражением [6, 7, 10] Величина Кни численно отражает распределение энергии колебаний по их спектру между основным тоном и его гармониками. С физической точки зрения этот параметр характеризует интегральную нелинейность колебательной системы за один цикл простых гармонических колебаний.
На практике определение спектрального состава колебаний (величин Аь А2, А3, ...) можно осуществить при помощи специализированного измерительного прибора - анализатора спектра (например, типа СК4-56).
Стенд и приборы для проведения вибрационных испытаний составных деревянных балок
Поскольку нагели, находящиеся в разных местах балки, работают в различных условиях в зависимости от поперечной силы, приходящейся на сечение, в котором расположен тот или иной нагель, а также в зависимости от качества выполненного соединения, то, используя формулу (3.1), следует говорить об «эффективном» числе нагелей, представляющем собой некоторое усредненное количество нагелей, отвечающих вычисленному на основе эксперимента коэффициенту нелинейных искажений. Таким образом, зная значение коэффициента нелинейных искажений, можно определить «эффективное» число нагелей в конструкции конкретного типа. Этот параметр («эффективное» число нагелей) можно использовать в виде критерия для оценки качества составных конструкций.
На основе приведённых рассуждений о функциональной связи Кнн - п можно предложить новый способ неразрушающего контроля качества составных конструкций балочного типа, сущность которого изложим в виде формулы изобретения.
Способ-неразрушающего контроля качества составных конструкций балочного типа, заключающийся в установке конструкции на стенде, закреплении ее концов согласно условиям эксплуатации, возбуждении в конструкции колебаний на резонансной частоте, определении её динамических параметров на основе спектрального анализа колебательного процесса и сопоставлении этих параметров с соответствующими параметрами эталонной конструкции заданного типа, испытанной при тех же режимах контроля и условиях закрепления, и оценке по результатам сравнения качества изготовления контролируемого изделия, отличающийся тем, что в эталонной конструкции при постепенно возрастающем количестве нагелей в процессе динамических испытаний определяют коэффициент нелинейных искажений и строят аппроксимирующую кривую «коэффициент нелинейных искажений — число нагелей», а для составной конструкции серийного изготовления определяют коэффициент нелинейных искажений и по его значению с помощью построенной аппроксимирующей функции оценивают качество изготовления этой конструкции, используя в виде критерия качества «эффективное» число нагелей.
Как известно, жесткость соединительного шва составных балок функционально зависит от числа нагелей, соединяющих отдельные её слои. Вполне очевидно, что и коэффициент нелинейных искажений также будет функционально связан с жесткостью шва. Эта гипотеза требует экспериментального подтверждения, для чего необходимо провести испытания различных составных балок с различной жесткостью шва и построить соответствующие аналитические зависимости Кж.шв. - Кни. Возможно, этот новый динамический критерий — коэффициент нелинейных искажений — будет более информативным, чем резонансная частота колебаний.
Для более глубокого изучения связи коэффициента нелинейных искаже-1г ний с различными параметрами, характеризующими качество железобетонных балок, проведена серия экспериментов на болыиеразмерных моделях, изготовленных в опалубке перемычек марки 2ПБ-26-4.
Были изготовлены две серии железобетонных балок длиной.2,59 м, сечением bxh =120x140 мм. Первая серия (6 балок Б-1...Б-6 по две штуки каждого типа) была изготовлена с одним и тем классом бетона В15 и различным процентом армирования продольной рабочей арматурой (одним стержнем ds = 8, 10, 12, 14, 16 и 18 мм). Вторая серия (5 балок Б-7...Б11 по две штуки каждого типа) была изготовлена с одним и тем же процентом армирования (одним стержнем ds = 12 мм) и различными классами бетона (В7,5, В15, В20, В22,5 и ВЗО). Балки с классом бетона В15 и рабочей арматурой ds = 12 мм были общими для обеих серий.
Балки готовились на заводе ЖБИ ОАО «Агропромстрой» по техническим условиям изготовления перемычек типа 2ПБ-26-4 с полным и тщатель 78 ным контролем всех технологических операций службой ОТК завода. Класс бетона контролировался путём испытания кубиков, забетонированных при изготовлении балок в возрасте 28 суток. После изготовления балок до их испытаний прошло 1,5 года.
Испытания проводились на стенде, функциональная схема которого приведена на рисунке 3.1. Концы балок опирались по шарнирной схеме. Был осуществлен полный комплекс необходимых статических испытаний балок с определением их жесткости, трещиностоикости и прочности по методике ГОСТа 8829-94 [30]. Одновременно со статическими проводились динамические испытания при возбуждении в балках путем механического удара свободных поперечных и продольных колебаний с измерением основной часты колебаний и определением логарифмического декремента затухания колебаний. Контроль частоты колебаний балок на разных этапах загружения осуществлялся с помощью виброанализатора «Вибран-2.0».
Загружение балок осуществлялось силикатным кирпичом ступенями в соответствии с требованиями Гр.СТ 8829—94 [30].
Помимо указанных испытаний проводилось определение коэффициента нелинейных искажений балок в ненагруженном состоянии при свободных поперечных колебаниях. Амплитуды соответствующих гармоник свободных колебания исследуемой механической системы определялись с помощью виброанализатора спектра «Вибран-2.0». Этот прибор имеет запоминающее устройство и связь с компьютером. Поэтому обработка всех спектрограмм осуществлялась на компьютере. Примеры спектрограмм для балок Б-2-1 и Б-6-1 приведены на рисунке 3.14.
Все данные, полученные при проведении этих экспериментов, представлены в таблицах А.З...А12 Приложения А. При этом за эталонную конструкцию принимались новые балки, не подвергшиеся ещё воздействию статической нагрузкой, а за дефектную конструкцию принимались балки после доведения их до разрушения и снятия статической нагрузки.
