CC BY
48
ЧАСТОТНЫЕ НАБЛЮДЕНИЯ АВТОМОБИЛЬНОГО МОСТА В ГОРОДЕ КАРАГАНДА
Ольга Газисовна Бесимбаева
Карагандинский государственный технический университет, 1GGG27, Республика Казахстан, г. Караганда, Бульвар Мира, 56, доцент кафедры маркшейдерского дела и геодезии, к.т.н., тел. (7212)56-26-27, e-mail: [email protected]
Елена Николаевна Хмырова
Карагандинский государственный технический университет, 1GGG27, Республика Казахстан, г. Караганда, Бульвар Мира, 56, доцент кафедры маркшейдерского дела и геодезии, к.т.н., тел. (7212)56-26-27, e-mail: [email protected]
Рустем Рашитович Ханнанов
Карагандинский государственный технический университет, 1GGG27, Республика Казахстан, г. Караганда, Бульвар Мира, 56, магистрант кафедры маркшейдерского дела и геодезии, тел. (7212)56-26-27, e-mail: [email protected]
Надежда Анатольевна Зинченко
Карагандинский государственный технический университет, 1GGG27, Республика Казахстан, г. Караганда, Бульвар Мира, 56, магистрант кафедры маркшейдерского дела и геодезии, тел. (7212)56-26-27, e-mail: [email protected]
В статье рассмотрен вопрос применения частотных датчиков при мониторинге автомобильных мостов, их основные характеристики, принципы использования, а также представлено частотное наблюдение за мостом в городе Караганда (Казахстан).
Ключевые слова: частотные измерения, измерительная система для мониторинга частотным методом, спектограмма, амплитуда колебаний.
FREQUENCY OBSERVATIONS OF ROAD BRIDGE IN KARAGANDA
Olga G. Besimbaeva
Karaganda state technical university, Kazakhstan Republic, 1GGG27, Karaganda, 56 Mira avenue, associate professor of “Mine survey and geodesy” department, cand.tech.sci., тєі. (7212) 56-26-27, e-mail: [email protected]
Elena N. Khmyrova
Karaganda state technical university, Kazakhstan Republic, 1GGG27, Karaganda, 56 Mira avenue, associate professor of “Mine survey and geodesy” department, cand.tech.sci., тєі. (7212) 56-26-27, e-mail: [email protected]
Rustem R. Khannanov
Karaganda state technical university, Kazakhstan Republic, 1GGG27, Karaganda, 56 Mira avenue, graduate student of associate professor of “Mine survey and geodesy” department, тєі. (7212)56-26-27, e-mail: [email protected]
Nadezhda A. Zinchenko
Karaganda state technical university, Kazakhstan Republic, 100027, Karaganda, 56 Mira avenue, graduate student of associate professor of “Mine survey and geodesy” department, те1. (7212)56-26-27, e-mail: [email protected]
The paper deals with the use of frequency sensors for monitoring road bridges, their characteristics, how to use and shows the frequency of the bridge watching in Karaganda (Kazakhstan).
Key words: frequency measurements, the measurement system to monitor the frequency method, spektogramm, the oscillation amplitude.
Мосты являются сосредоточением и реализацией инженерной мысли и привлекают внимание общества. Современные мосты большой протяженности выдерживают колоссальные нагрузки и напряжения, отчасти благодаря их способности незначительно деформироваться в зависимости от воздействия внешних условий. Среди внешних факторов, оказывающих влияние на деформации мостового сооружения, наиболее весомыми являются изменение силы и направления ветра, количество осадков, движение волн, сейсмические толчки и транспортная нагрузка (количество, вес и скорость движения находящегося на мосту автотранспорта) и изменение внешних условий, таких как суточная смена температуры воздуха и прямое солнечное излучение. Постоянные воздействия внешних факторов приводят к постепенному износу сооружения, а при сверхнормативных нагрузках это может привести к ускоренному износу, необратимым деформациям и разрушению элементов конструкции. Для контроля и прогнозирования состояния мостового сооружения, с целью заблаговременного предупреждения о тенденциях изменений геометрических параметров сооружения измерения колебаний строительных конструкций могут выполняться как переносными датчиками, так и установленными на длительное время автономными измерительными системами. Контроль величин полученных амплитуд не является первоочередной задачей, так как их предельные значения за редким исключением неизвестны.
Процесс измерения колебаний может быть легко автоматизирован, отличается высокой надежностью и поэтому имеет большой потенциал в рамках мониторинга. В мире существует практика применения частотного метода на уникальных объектах и, по мнению многих экспертов, он также может использоваться на обычных строительных сооружениях как дополнение к другим типам измерений. При этом измерения колебаний необходимо выполнять одновременно на многих пунктах. Но стоимость датчиков для измерения микросейсми-ческих колебаний (сейсмографов), регистрирующих малейшие колебания земной поверхности, достаточно велика и для поставленных целей экономически не оправдана.
По названным выше причинам в Берлинском университете прикладных наук была создана альтернативная измерительная система для мониторинга частотным методом (рис. 1).
Рис. 1. Частотные измерители
а - переносной датчик (чувствительный элемент); б - автономная измерительная система
Ее конструктивной особенностью является наличие нескольких чувствительных элементов, присоединенных к полевому компьютеру с помощью кабелей через коммуникационный блок, преобразующий сигнал от датчиков в цифровую форму. Чувствительными элементами служат датчики, которые используются в машиностроении, при эксплуатации ветряных электростанций и т. д. Они имеют высокую степень пыле- и влагозащищенности (ІР 67). Потребление электроэнергии датчиками крайне мало, так что система может работать в течение многих часов без подключения внешнего питания.
Для обеспечения равных условий измерений на всех контрольных точках система может работать с неограниченным количеством датчиков на удалении до 450 м. Из-за несколько худших параметров точности, чем у геофизических приборов, она не может использоваться для измерения микросейсмических явлений. В то же время ее главным преимуществом является невысокая стоимость.
На первом этапе в Берлинском университете прикладных наук были разработаны собственные алгоритмы и написаны модули с использованием программы МаЛаЬ. После экспериментальных исследований была уточнена методика и создано специализированное программное обеспечение (рис. 2).
Рис. 2. Интерфейс специализированного программного обеспечения
Так как основные шаги обработки, такие как вычисление отдельных спектров и картограмм колебаний, выполняются в подготовленной программе нажатием нескольких кнопок, визуальный контроль можно осуществлять на полевом компьютере сразу после завершения измерений. И спектрограммы и картограммы колебаний можно сохранить в различных графических форматах для дальнейшего анализа и интерпретации.
Измерительная система и программное обеспечение позволяют успешно проводить контроль и интерпретацию высокочастотных деформаций. Этот факт был подтвержден измерениями на автомобильном мосту в городе Караганда (Казахстан) при участии профессора Резника Б.Е. из Германии и магистрантов Карагандинского государственного технического университета.
Несмотря на свои небольшие габариты, этот мост является важным сооружением транспортной инфраструктуры Караганды. Не смотря на простоту конструкции данного сооружения, под воздействием внешних факторов мост совершает амплитудные колебания.
С помощью разработанной методики в 2012 году были выполнены динамические измерения на контрольных точках моста. Результаты проведенных работ и их точность свидетельствуют о возможности применения метода и измерительного комплекса для частотных наблюдений.
При проведении данных наблюдений использовался один датчик, который устанавливался в 3 контрольных точках моста (2 точки - по краям пролета возле опор, 1 точка - посередине пролета) (рис. 3). Измерения проводились единожды по 40 минут на каждой контрольной точке с целью выявить абсолютные значения амплитуды колебаний. Во время измерений наблюдалось интенсивное движение транспортных средств с периодическим движением поездов.
Рис. 3. Расположение контрольных точек
Первичным результатом обработки измерений являются так называемые спектрограммы, совмещающие выделенные частоты и соответствующие амплитуды колебаний на характерных точках мостового перехода, отобранных для пробных измерений (рис. 4).
Рис. 4. Принцип применение картограмм колебаний
Из соображения наглядности используется двухмерное изображение по частоте и длине конструкции. Амплитуды отдельных спектров показываются разными цветами в соответствии с выбранной шкалой. Такая форма представления результатов используется в картографии для показа относительных статистических данных цветовой заливкой, соответствующей принятой интервальной шкале. Благодаря ей легко оценить энергию отдельных частот по всей длине несущей конструкции.
По результатам измерений видно, что наибольшее значение амплитуды колебаний достигается в середине пролета, в тот момент как, по краям пролета амплитуда имеет минимальные значения (рис. 5). Это объясняется тем, что определенную часть колебаний гасят опоры. Выявленные значения частоты колебаний свидетельствуют об отсутствии критических изменений в несущих конструкциях.
б)
Рис. 5. Спектральные характеристики колебаний моста по высоте а, в - измерения контрольных точек, расположенных по краям пролетав близи опор; б - измерения контрольной точки, расположенной посередине пролета
В заключении можно сказать, что этот метод выходит за рамки геодезического контроля и успешно его дополняет. Практическая реализация поставленных задач в будущем потребует интенсивной совместной работы специалистов различных специальностей, в первую очередь, в области геодезии и строительного дела. В настоящее время готовится новое поколение измерительной системы. Каждый компактный измерительный блок этой системы будет содержать собственный чувствительный элемент повышенной точности и карту памяти большого объема. Устройство будет обладать внутренним источником питания, емкости которого достаточно для автономного выполнения измерений в течение 24 часов, и иметь возможность подключения к внешней сети. Таким образом, новое поколение системы позволит выполнять измерения в автономном режиме практически неограниченное время. В ней также предусмотрена функция автоматического включения измерений при достижении заданных амплитуд колебаний. Посредством технологии Wi-Fi будет организована беспроводная передача информации и аварийных сообщений.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Резник Б.Е., Лобазов В.Я., Герасимов А.Ю., Эфендян П.С. Статья «Частотные измерения при мониторинге автомобильных мостов», журнал Геопрофи 4’2010
2. Материал сайта: http://www.icentre-gfk.ru/article/a_def_mon_bridges.htm
© О.Г. Бесимбаева, Е.Н. Хмырова, Р.Р. Ханнанов, Н.А. Зинченко, 2013
