CC BY
303
УДК 624.21.01
С. Ю. Каптелин
Петербургский государственный университет путей сообщения
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТРАНСПОРТНЫХ СООРУЖЕНИЙ
Для обеспечения безопасной эксплуатации мостового сооружения необходима достоверная информация о динамических воздействиях на несущие конструкции и об их способности противостоять этим воздействиям.
Представлены различные измерительные приборы, оборудование и программные средства, позволяющие получить необходимую информацию о работоспособности конструкции при условии воздействия на нее динамических нагрузок, используемые при исследовании вибраций, возникающих в конструкциях.
Результаты вибродиагностики дают возможность обеспечения безопасной эксплуатации мостовых сооружений под воздействием современных транспортных нагрузок.
динамические характеристики, приборы для динамической диагностики, контрольноизмерительные системы, безопасность эксплуатации.
Динамические воздействия на транспортные сооружения могут препятствовать их безопасной эксплуатации или приводить к разрушению.
В 1850 г. во Франции при проходе армейского подразделения обрушилось пролетное строение моста через реку Мен. Трагедия унесла жизни 226 человек.
Хорошо известны катастрофические последствия ветрового воздействия на мосты. В 1879 г. произошло обрушение моста Тей в Шотландии. Ветер, скорость которого достигла 140 км/ч, сбросил в воду 13 пролетных строений вместе с проходившим по ним поездом. При этом погибло 70 пассажиров.
В 1905 г. рухнуло на лёд пролетное строение Египетского моста через реку Фонтанку в Санкт-Петербурге. Это произошло при проходе по мосту эскадрона гвардейской кавалерии, в тот момент, когда головная часть полка уже подходила к противоположному берегу.
В 1940 г., через 4 месяца после открытия, произошло разрушение моста Такома в США. При скорости ветра 18,9 м/с подвесное пролетное строение моста начало колебаться с большими амплитудами и упало в воду.
20 мая 2010 г. по Волгоградскому мосту, имеющему неразрезную балочную систему, было прекращено движение из-за возникновения сильных колебаний конструкции, амплитуда которых составляла около 1 м.
67
Для оценки способности мостового сооружения сопротивляться воздействию изменяющихся во времени нагрузок определяются динамические характеристики пролетных строений и опор: период, частота и амплитуда собственных и вынужденных колебаний, динамический коэффициент, логарифмический декремент затухания колебаний.
Как показывает практика испытаний, наиболее стабильной и достоверной динамической характеристикой транспортного сооружения является функция динамического прогиба [1, 2], определяемая величиной вертикальных перемещений от действия экспериментального динамического усилия, создаваемого специальным сейсмическим вибратором, при плавном изменении частоты гармонического силового воздействия на конструкцию. В процессе испытаний с помощью приборов регистрируется амплитудно-частотная характеристика (АФЧХ) в каждом опасном сечении конструкции, которая отражает все формы колебаний, присущие сооружению в данном техническом состоянии. Совокупность АФЧХ для всех исследуемых сечений элементов конструкции является динамическим паспортом сооружения, отражающим его состояние на момент проведения вибродиагностики.
Динамические характеристики сооружения определяются по виброграммам - диаграммам изменения во времени параметров напряженно-деформированного состояния сооружения при действии динамической нагрузки. Виброграммы записываются в процессе динамических испытаний с помощью специальных датчиков и измерительных приборов.
Для регистрации и обработки информации с датчиков, расположенных на объекте, при испытаниях простых конструкций балочных разрезных пролетных строений или опор используются портативные приборы для динамической диагностики: «Вибротест-МГ4», «ВИСТ-2.4», «Вибран 3.0», Svan 946 (рис. 1) и др.
Приборы производят запись виброколебаний в задаваемом временном интервале с ручным или автоматическим запуском по задаваемому пороговому уровню измеряемого параметра и определяют состав колебательного процесса по линиям спектра.
Измерения могут производиться при температуре -10...+45 °C, относительной влажности воздуха до 80 % и атмосферном давлении 650.800 мм рт. ст. (86.106 кПа).
Диапазон измеряемых частот - 2.1000 Гц и виброскоростей - 0,1. 500 мм/с является достаточными для измерения колебаний любых строительных объектов.
Маленькие габаритные размеры электронных блоков и вибродатчиков, небольшой ток потребления - 120 мА и масса приборов с датчиками - 0,5 кг делают портативные приборы удобными при испытаниях в полевых условиях простых конструкций транспортных сооружений.
При динамических испытаниях сложных конструкций мостовых сооружений больших пролетов, для автоматизированного получения и обра-
68
Рис. 1. Приборы для вибродиагностики: а - «Вибротест-МГ4»; б - «ВИСТ-2.4»; в - «Вибран 3.0»; г - Svan 946
ботки информации с многочисленных датчиков, расположенных на объекте, используют многофункциональные измерительные электронные системы [2]. В настоящее время в России наиболее известны несколько подобных систем: КИС-ИМИДИС, «Тензор» и СТКМ-ИС, SENSLOG 3000 (ЦНИИС, Москва; СТУПС, г. Новосибирск; НИИ мостов и ПГУПС, Санкт-Петербург; ИрГУПС, г. Иркутск).
Компьютерные измерительные системы (КИС) состоят из набора электронных датчиков, соединяемых с радиомодулем, который передает измеренные параметры по радиоканалу через инфракрасный порт, интерфейсы типа USB, Blue Tooth и другие на концентратор. Если расстояние между датчиками и концентратором превышает 200 м, сигналы передаются на другой радиомодуль, выполняющий одновременно роль ретранслятора и усилителя сигнала. Последней точкой приема служит концентратор, осуществляющий связь с компьютером, на котором установлена программа управления датчиками и обработки результатов измерений.
Программная часть позволяет отображать результаты измерений в виде таблиц и графиков, сохранять их в базе данных и при необходимости экс-
69
портировать в файлы Word или Excel, которые могут непосредственно использоваться при составлении отчетов.
Для работы в составе (КИС) применяются различные датчики: индукционные и тензорезисторные датчики перемещений; лазерные измерители; электронные клинометры, акселерометры, тензорезисторы для измерения деформаций и напряжений, струнные тензодатчики напряжений и пр.
Датчики перемещений построены на основе линейного прибора с зарядовой связью. Используемая линейка состоит из 2048 фотоэлементов. Размер каждого элемента - 14*14 мкм, расстояние между ними - 17 мкм. В процессе работы с микросхемы снимается напряжение в виде пачки из 2048 импульсов прямоугольной формы, амплитуда которых зависит от освещенности соответствующих фотоэлементов.
Датчики малых перемещений (ДМП) могут измерять перемещение шторки из светонепроницаемого материала относительно линейки. При этом шторка располагается между источником света, освещающим линейку, и самой линейкой. При перемещении шторки вдоль линейки цена одного деления ДМП равна 17 мкм. Точность ДМП при движении шторки вдоль линейки составляет ±8,7 мкм. Увеличивая мощность источника света, можно уменьшить погрешность в 2 раза.
Датчик больших перемещений (ДБП), как и ДМП, является оптическим прибором с линейкой элементов с зарядовой связью и объективом, проецирующим изображение шероховатой поверхности объекта на линейку фотоэлементов. При каждом считывании на однокристальный процессор передается однострочное телевизионное изображение шероховатостей поверхности объекта. Изображение запоминается процессором. При перемещении объекта вдоль линейки вновь полученные изображения сравниваются с предшествующим изображением. Математически обрабатывая эти изображения, процессор вычисляет значение сдвига изображения и передает его на компьютер. По мере необходимости предшествующее изображение заменяется вновь считанным, а к отсчетам сдвига добавляется ранее полученное значение. Таким образом, максимальный измеряемый сдвиг практически не ограничен, а точность измерения определяется оптической системой. Так, например, если в качестве объектива использовать обычную лупу, можно измерять перемещение объекта, находящегося на расстоянии около 30 см от ДБМ, с точностью 0,1 мм. При использовании хорошего телеобъектива такую же точность можно получить на расстоянии 100 м. При использовании микроскопа можно получить точность измерения перемещения, измеряемую десятыми и даже сотыми долями микрона. Но при этом расстояние до объекта, конечно, должно быть небольшим.
Лазерный прибор для измерения угловых перемещений объекта как в вертикальной, так и горизонтальной плоскости состоит из двух блоков: лазерного передатчика и линейки фотоприемников.
70
Луч лазера качается в вертикальной плоскости и модулируется специальным сигналом. По этому сигналу фотоприемник определяет мгновенное значение угла наклона луча в вертикальной плоскости и горизонтальное смещение линейки относительно этой плоскости.
Электронные клинометры разработаны на основе приборов с зарядовой связью. Они являются модификациями датчиков перемещения, в которых скошенная шторка закреплена на отвесе. Точность клинометра зависит от длины отвеса и, как отмечалось выше, от угла наклона шторки к линейке ПЗС. Реально полученная чувствительность равна 0,5".
Для проведения полномасштабных испытаний искусственных сооружений на железных дорогах создана автоматизированная информационно-измерительная система «Тензор-08.128» (рис. 2).
Датчик линейных Съемный датчик Измерительный перемещений деформаций блок
Рис. 2. Система «Тензор-8.128»
Система имеет ряд достоинств:
• гибкость - быстрое изменение конфигурации системы благодаря количеству и типу подключенных датчиков с программной настройкой параметров каждого измерительного канала и возможности объединения измерительных систем в один измерительный комплекс;
• мобильность - быстрая установка системы на объектах благодаря малой массе, небольшим габаритным размерам, набору съемных датчиков и простоте подготовки;
• автономность - собственная система питания на аккумуляторах с последующей подзарядкой от сети переменного тока напряжением 220 В или бортовой сети автомобиля;
71
• универсальность - благодаря возможности подключения к каждому из каналов любого типа датчика и одновременного измерения различных параметров;
• многоканальность - возможность измерений на протяженных объектах благодаря наращиванию системы объединением измерительных блоков в сеть, где связь между измерительными блоками и ЭВМ происходит по единому цифровому кабелю;
• помехозащищенность - благодаря расположению измерительного блока в удалении от точек измерения, при этом данные от измерительного блока поступают в ЭВМ в цифровой форме;
• тестируемость - программная проверка всех узлов и каналов системы на функционирование с автоматической сигнализацией о неисправностях.
Для сбора, обработки и визуализации экспериментальной данных об искусственных сооружениях при динамических испытаниях с использованием измерительной системы «Тензор-08.128» разработано специальное программное обеспечение. Пример рабочего окна программы приведен на рис. 3.
Рис. 3. Окно графического представления результатов измерения
Для повышения мобильности и удобства при диагностировании объектов в дополнение к системе «Тензор-8.128» на ряде мостоиспытательных станций на сети железных дорог внедрен диагностический портативный комплекс «Тензор М» (рис. 4), разработанный на базе карманного персонального компьютера Palm. Время непрерывной работы без подзарядки аккумулятора составляет около 10 часов.
Деформации и линейные перемещения измеряют с помощью съемных датчиков перемещений (рис. 5).
72
Рис. 4. Система «Тензор М»:
1 - сумка для переноски прибора; 2 - набор кабелей для соединения измерительного блока с датчиком деформаций и компьютером; 3 - карманный компьютер Palm;
4 - датчик для измерения деформаций; 5 - струбцина для крепления датчика на металлические элементы; 6 - зарядное устройство для измерительного блока;
7 - вход для присоединения ПК; 8 - подставка для компьютера; 9 - вход для подсоединения датчика; 10 - индикаторная лампочка начала измерений;
11 - индикатор подключения зарядного устройства; 12 - гнездо для подключения зарядного устройства; 13 - измерительный блок
Рис. 5. Датчик линейных перемещений ЛП-10.01
Основные технические характеристики датчика линейных перемещений ЛП-10.01: диапазон измеряемых перемещений, мм: 0-12; диапазон измеряемых частот, Гц: 0-200; напряжение питания, В: 2-8; габаритные размеры, мм: 100x22x20; масса, г: 70; рабочая температура окружающей среды, °C: 0.. .+45.
73
Для записи ускорений при вибрационной диагностике сооружений применяются акселерометры.
В настоящее время широкое распространение получают КПК Pocket PC, более мощные, чем Palm. Для диагностического портативного комплекса «Тензор М» на базе Pocket PC предусмотрено подключение системы беспроводной связи BlueTooth, обеспечивающей большую оперативность.
Диагностический комплекс «Тензор М» обеспечивает не только фиксацию информации с датчиков при испытаниях, но и автоматизированный сбор информации о сооружении с последующей передачей результатов в базу данных АСУ ИССО.
Система тензометрического контроля СТКМ-ИС (НИИ мостов) (рис. 6) предназначена для получения амплитудно-частотной характеристики деформаций, возникающих в мостовых сооружениях в процессе эксплуатации и при динамических испытаниях. Результаты представляются в цифровом и графическом виде на пульте управления непосредственно на объекте, а также могут быть обработаны с помощью специальных программ в стационарных условиях при использовании персонального компьютера.
Рис. 6. Система СТКМ-ИС:
1 - блок контроля; 2 - выносной пульт управления и отображения информации
При тензометрических измерениях, во время испытаний металлических конструкций применяются тензорезисторы с базой 10-20 мм, с коэффициентом тензочувствительности Кт = 1,4-2,3 и сопротивлением 100-200 Ом.
Для испытания бетонных конструкций используются тензорезисторы с базой 100 мм с сопротивлением до 400 Ом.
В системе обеспечивается возможность проведения экспресс-анализа результатов испытания путем представления на экране дисплея выносного пульта управления максимальных и минимальных значений механических напряжений в цифровом виде и их изменений в графическом виде по каждому
74
измерительному каналу как в реальном масштабе времени, так и по окончании записи эксперимента.
Результаты контроля записываются в блок энергонезависимой памяти (flash-disk) с возможностью перезаписи информации в ПЭВМ для последующего анализа. Включение начала записи информации в блок энергонезависимой памяти может выполняться не только с выносного пульта, но при помощи сигнала от дополнительного контактного датчика или после изменения сигнала рабочего тензодатчика.
Продолжительность записи информации (от одной миллисекунды до нескольких часов при соответствующем выборе периода опроса) устанавливается пользователем по каждому измерительному каналу. Период опроса 5 мс обеспечивает регистрацию сигналов в частотном диапазоне до 40 Гц. Продолжительность регистрации при периоде опроса 5 мс по всем измерительным каналам без смены flash-disk с объемом памяти 32 Мб - не менее 2,5 ч.
Простота и надежность управления системой обеспечиваются применением бесконтактной клавиатуры типа talch-screen на экране пульта управления, причем на экран выводится набор кнопок управления, необходимый в данный момент времени.
Системой может быть измерена и зарегистрирована температура в месте расположения датчика температуры, подключенного к специальному отдельному измерительному каналу.
Устанавливаемый в системном блоке ПЭВМ адаптер для flash-disk и специально разработанное программное обеспечение позволяют обрабатывать полученную информацию в виде таблиц или графиков (рис. 7). По выбору оператора на графиках может быть назначен горизонтальный
Рис. 7. Виброграмма напряжений при динамических испытаниях
75
и вертикальный масштаб. Информация выводится по любому измерительному каналу с возможностью последующей печати на принтере.
На базе системы СТКМ-ИС создана система мониторинга состояния пролетных строений мостов. Система совместима с различными типами датчиков деформаций, напряжений, перемещений и температуры.
Питание системы осуществляется от аккумулятора напряжением 15 В или сети переменного тока 220 В.
Восьмиканальный блок контроля БИН-8 предназначен для обработки информации, полученной одновременно с восьми датчиков. При необходимости получения информации с большего количества датчиков применяются несколько нормирующих блоков.
Вся информация передается по каналу RS232 в ПЭВМ пользователя для дальнейшей обработки. Память блока БИН-8 позволяет записывать информацию в течение двух месяцев без передачи на ПЭВМ.
Современный диагностический комплекс SENSLOG 3000 применяется для сбора и обработки информации при динамических испытаниях мостовых сооружений.
Для регистрации исследуемых параметров строительных конструкций к системе сбора данных подсоединены различные датчики: тензорезисторы PFL-20, 120 Ом - для измерения деформаций; акселерометры на полупроводниковых тензорезисторах Bridge Diagnostics Inc BDI, ±5 g - для измерения ускорений, возникающих в конструкциях при динамических воздействиях; наклономеры BDI с диапазоном измерений, ±10°, измеряющие углы поворота сечений; датчики перемещения DLH-А, Dacell, 25 мм, измеряющие статические прогибы конструкций.
Все датчики позволяют выполнять измерения в режиме реального времени, с автоматической записью информации в память персонального компьютера для последующей обработки данных специальным программным комплексом Loggernet.
Датчики преобразуют физическую величину в электрические сигналы, которые по проводам передаются к мультиплексору; от него, уже по одному проводу, сигналы идут к системе сбора данных, которая, используя аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), преобразует эти сигналы в цифровые и позволяет перевести эти данные в реальные физические величины (мм, м/с, м/с2, МПа).
Принципиальная схема диагностического комплекса для мониторинга строительных конструкций приведена на рис. 8.
В связи с тем, что мостовые сооружения расположены на обширной территории сети автомобильных и железных дорог, создаются специальные мобильные лаборатории диагностики мостов, оснащенные современными контрольно-измерительными системами (рис. 9). Такая лаборатория представляет собой передвижное транспортное средство с размещенным в нем
76
Датчик перемещения DLH, 25 мм
аналоговый сигнал
I I I I I
Акселерометр BDI, ±5G
Тензорезистор для наклейки PFL-20
Наклонометр BDI, ±10°
Рис. 8. Принципиальная схема диагностического комплекса для мониторинга строительных конструкций
Рис. 9. Мобильная лаборатория диагностики мостов КП-532
оборудованием, позволяющим проводить комплексное обследование мостовых сооружений и оперативно получать результаты обследования, испытания и диагностики, необходимые для паспортизации и контроля строительства мостовых сооружений.
Мобильные лаборатории оснащаются тензометрической системой, объединенной с компьютером, позволяющим проводить статические и динамические испытания мостов с определением различных параметров напряженнодеформированного состояния.
77
В настоящее время работа конструкций мостов моделируется с использованием метода конечных элементов. Данный метод позволяет выполнить аналитическое исследование всех параметров напряженно-деформированного состояния конструкций при воздействии любых динамических нагрузок: ветровых, сейсмических, ударных и др.
Моделирование возможно с помощью программных комплексов Adina, Ansys, Cosmos, Nastran, Sofistik, Midas, Лира, Scad, RM Bridge и др. Эти программы позволяют учитывать многообразные формы сечений элементов, виды материалов, из которых состоит конструкция, различные дефекты, которые возможны в эксплуатируемых конструкциях.
Важным обстоятельством является наличие в перечисленных программных комплексах блока исследования реакций модели на динамические воздействия в различных частотных диапазонах, что позволяет получить амплитудно-частотные характеристики динамических прогибов для любых точек сооружения.
При решении динамических задач могут быть получены формы, амплитуды и частоты собственных и вынужденных колебаний анализируемой конструкции, значения усилий и напряжений в элементах конструкций, подверженных динамическим или сейсмическим воздействиям. Все данные могут быть представлены в анимационном, графическом или табличном виде.
Для получения дополнительной информации рекомендуется сопоставление расчетных данных, полученных для модели сооружения с использованием современных конечно-элементных программных комплексов с экспериментальными АФЧХ, записанными в процессе динамических испытаний на реальном сооружении.
Все вышеперечисленные способы анализа динамических параметров искусственных сооружений позволяют исследовать как эксплуатируемые, так и проектируемые сооружения и обеспечивать их надежную и безопасную работу.
Библиографический список
1. Методические рекомендации по вибродиагностике автодорожных мостов / ОАО ЦНИИС при участии ГП Росдорнии : введ. в действие распоряжением № 266-р от 07.08.2001 г. Государственной службы дорожного хозяйства Министерства транспорта Российской Федерации (Росавтодор). - М. : Гос. служба дорожного хозяйства, 2001. - 12 с.
2. Методические указания по диагностике пролетных строений эксплуатируемых мостов / ОАО «РЖД». - М. : ИКЦ «Академкнига», 2007. - 95 с. : ил.
© Каптелин С. Ю., 2013
78
