CC BY
47УДК 624.21:621.3
А. Н. Яшнов, И. И. Снежков
Развитие систем диагностики и мониторинга мостов
Поступила 18.05.2020
Рецензирование 03.06.2020 Принята к печати 07.07.2020
Обследование, испытание, диагностика и оценка технического состояния искусственных сооружений с разработкой рекомендаций по режиму эксплуатации является основным направлением деятельности СибнИИ мостов СГУПС. Цель данной работы - показать возможные пути развития приборной базы и совершенствования методологии диагностики и мониторинга мостов. Помимо общепринятого оборудования неразрушающего контроля, включая и системы глобального позиционирования, целесообразно развивать многофункциональные измерительные системы контроля напряженно-деформированного состояния конструкций, позволяющие объективно диагностировать техническое состояние сооружений.
В статье приведены примеры применения разработанного в СибНИИ мостов измерительного оборудования «Тензор МС», позволяющего решать задачи диагностики на самом современном уровне. Особенность оборудования - малый собственный вес и быстро устанавливаемые высокочувствительные датчики различных типов. Для обеспечения эффективного использования инновационного измерительного оборудования разработаны новые методики диагностики технического состояния. Наиболее перспективный метод - изучение поведения элементов мостового сооружения при малых внешних воздействиях.
Наличие опыта обследований, испытаний и диагностики технического состояния искусственных сооружений с использованием автоматизированных измерительных систем как в полевых, так и в лабораторных условиях позволило перейти на новую ступень цифровой трансформации процесса оценки технического состояния - организацию систем мониторинга. Проведенные исследования позволили разработать и внедрить системы мониторинга для таких уникальных сооружений, как Бугринский мост через р. Обь в г. Новосибирске, автодорожный мост через р. Иртыш на обходе г. Павлодара (Казахстан), железнодорожный мост через р. Зея.
Ключевые слова: мост, тензометрическое оборудование, диагностика, мониторинг, оценка технического состояния.
Одним из основных направлений деятельности отраслевой научно-исследовательской лаборатории мостовых конструкций (ныне -СибНИИ мостов) всегда были обследования искусственных сооружений с целью оценки их технического состояния и разработки научно обоснованных рекомендаций по режимам их дальнейшей эксплуатации. Искусственные сооружения, и в первую очередь мосты, являются наиболее сложными и дорогостоящими конструкциями в составе как железных, так и автомобильных дорог. Но традиционно основой оценки состояния мостов были и зачастую до настоящего времени остаются визуальные осмотры и обследования. Естественно, что при таком подходе результат оценки сильно зависит от субъективных факторов, в том числе от уровня подготовки специалистов. Поэтому в СибНИИ мостов всегда уделялось внимание как подготовке специалистов, так и совершенствованию приборной базы, развивающемуся по двум основным
направлениям: собственно оборудование для диагностики мостовых сооружений и разработка методов диагностики и мониторинга технического состояния.
В качестве приборной базы для обследования используют, как правило, оборудование неразрушающего контроля и геодезическое оборудование, в том числе и спутниковые приемники (ГЛОНАСС, GPS, GALILEO). Недостатки ограничения набора оборудования только такими средствами уже отмечались ранее [1], поэтому в СибНИИ мостов в дополнение к этому развивают измерительное оборудование [2], позволяющее фиксировать напряженно-деформированное состояние конструкций, в том числе и динамику его изменения в течение длительного времени.
На начальном этапе исследования велись с помощью наклеиваемых тензодатчиков, например, при экспериментах по изучению динамического воздействия нагрузки на плиту балластного корыта в железнодорожных пролетных
циально разработанного программного обеспечения, установленного на персональном компьютере типа Notebook (рис. 2).
Бурное развитие информационных технологий и вычислительной техники позволило создать еще более компактное и удобное для использования в полевых условиях оборудование «Тензор МС»: сперва на базе появившихся карманных компьютеров Palm (рис. 3), а затем и на смартфонах с операционной системой Android (рис. 4). Прижимное крепление датчиков было изменено на магнитное, проводное соединение измерительного блока с компьютером - на радиоканал. С созданием на базе СГУПС мобильного автоматизированного измерительного комплекса «Тензор МС» [2] стало возможным в процессе осмотров и обследований выполнять измерения различных параметров, характеризующих напряженно-деформированное состояние конструкций, в том числе и под обращающейся нагрузкой.
Конструктивно система «Тензор МС» (рис. 5) представляет собой комплект устройств распределенно-модульного типа, содержащий
Рис. 2. Мобильная измерительная система «Тензор М»
строениях [3]. Для усиления сигналов, поступающих с датчиков, были применены десятика-нальный тензометрический усилитель ТУШ-10 и измерительный блок системы «Тензор» [4]. Разработанная группой измерений СибНИИ мостов система «Тензор» была построена по блочно-модульному принципу и связана с мини-ЭВМ «Электроника-60», что давало возможность сразу, без промежуточной регистрации сигналов с датчиков, обрабатывать результаты эксперимента. Общий вид оборудования показан на рис. 1.
В лабораторных условиях применение наклеиваемых тензодатчиков было вполне оправданно, однако при полевых исследованиях это создавало определенные трудности. Поэтому в дальнейшем развитие оборудования было направлено на обеспечение его мобильности и возможности быстрого развертывания на исследуемых объектах. Взамен наклеиваемых датчиков были разработаны съемные с прижимной конструкцией крепления, а обработку информации, поступающей с датчиков, стали осуществлять с помощью спе-
Рис. 3. Мобильная измерительная система «Тензор МС» на Palm
Рис. 4. Мобильная измерительная система «Тензор МС» на Android
системы мобильных блоков сбора информации (измерительных блоков), сопряженных с многофункциональными первичными датчиками и системой комбинированной (беспроводной или проводной) связи между блоками и мобильными (смартфон, карманный персональный компьютер) или стационарными персональными компьютерами (ПК).
В основу работы входной аппаратной части системы (блоков и модулей) «Тензор МС» положены способ регистрации и преобразование различных типов и номиналов аналоговых и цифровых чувствительных элементов (первичных многофункциональных датчиков) в широком динамическом диапазоне входных сигналов в цифровой вид. Первичная регистрация, предварительная обработка и калибровка входного сигнала производятся в каждом звене (канале) преобразователей (цифровых усилителей) с последующей передачей данных измерения в блоки хранения и передачи данных по каналам связи (беспроводным
или проводным). Полная обработка полученных данных осуществляется в обрабатывающей части системы мобильными или персональными компьютерами.
Аппаратная часть системы содержит (см. рис. 5):
- измерительный блок, предназначенный для управления получением по цифровому каналу данных с датчиков, записи их в устройство хранения, выполненное на энергонезависимой памяти, и обмена данными с компьютером по беспроводному каналу (Bluetooth);
- комплект оригинальных съемных датчиков (цифровых преобразователей), обеспечивающих преобразование аналогового микро-сигнала первичного чувствительного элемента (преобразователя) в цифровой код с последующей передачей в измерительный блок; предварительная отработка команд управления калибровки, балансировки и настройки динамического диапазона измерения также происходит в цифровом преобразователе съемного датчика;
- карманный персональный компьютер (КПК), назначение которого - управление измерительной частью системы по беспроводному каналу (Bluetooth), запись данных измерения, их первичная обработка, отображение и передача для дальнейшей обработки и хранения в ПК.
С помощью измерительных тензометриче-ских систем можно измерять напряженное состояние практически в любой точке конструкции, кроме того, «Тензор МС» позволяет фиксировать амплитудно-частотные характеристики конструкции, изменение температуры, перемещения, углы наклона, использовать датчики ультразвукового контроля и др. (см. рис. 5). Но, очевидно, само по себе оборудование без наличия научно обоснованных методик диагностики не может быть эффектив-
ным. Нужно не только иметь возможность что-то измерить, но и знать, в каких сечениях производить измерения и как интерпретировать получаемые результаты. Поэтому параллельно с развитием приборной базы по диагностике технического состояния сооружений в СибНИИ мостов происходило и развитие способов и методов оценки состояния.
Методика диагностики технического состояния сооружения по результатам измерений местных деформаций в наиболее нагруженном надопорном сечении неразрезного металлического автодорожного пролетного строения с помощью комплекса «Тензор МС» может быть проиллюстрирована записанными тензограм-мами изменения напряженно-деформированного состояния при различном положении нагрузки на проезжую часть (рис. 6).
Рис. 5. Принципиальные блок-схемы «Тензор МС»
Пролетное строение выполнено по схеме (3x63,0 + 2x42,0) м, состоит из двух сплошно-стенчатых сварных главных балок двутаврового сечения, объединенных между собой ор-тотропной плитой, верхними и нижними поперечными балками и системой поперечных связей (рис. 7). Первый вывод, который можно сделать, сравнивая полученные фактические результаты с ожидаемыми расчетными: работа конструкции соответствует ожидаемой по расчету (среднее значение конструктивного коэффициента 0,9). При этом, следует отметить, средний конструктивный коэффициент получен по нижнему поясу большей величины, чем по верхнему, потому что в расчетах традиционно не учитывается включение в совместную работу с главными несущими конструкциями второстепенных
элементов (ограждений безопасности, одежд ездового полотна и пр.). Кроме того, по тензо-граммам видно, как включаются в совместную пространственную работу главные балки (левая и правая) и как при перестановке перераспределяется нагрузка между ними.
Выше перечислены стандартные процедуры, которые могут быть выполнены при диагностировании по результатам испытаний. Высокочувствительные тензодатчики комплекса «Тензор МС» (порог чувствительности до 10-3 е. о. д., что соответствует напряжению 0,002 кгс/см2 при измерениях на металле) позволяют расширить диапазон возможностей диагностики. Достаточно веса человека (малого воздействия), чтобы получить отклик на высокочувствительных датчиках, установленных в тех же сечениях, что и при испытаниях.
Рис. 6. Тензограммы изменения напряжений в контролируемом сечении
Рис. 7. Конструкция диагностируемого пролетного строения
Измерительная система Тензор-МС
Рис. 8. Оборудование для испытания удерживающей способности перил
Снабдив инженера ОР8-приемником для получения данных о его пространственных координатах при перемещении и связав их с соответствующими показаниями тензодатчиков в диагностируемой конструкции, можно получать фактические поверхности влияния напряжений. Поверхность строится с использованием алгоритма триангуляции на основании критерия Делони. Результатом такого преобразования является набор треугольных плоскостей, описывающих реальную поверхность с максимальной точностью.
Следует отметить, что применение малых воздействий, в сравнении с воздействиями от обращающейся нагрузки и максимальной испытательной нагрузкой, позволяет получать очень важную информацию о наличии мелких повреждений, не выявляемых другими способами. Метод малых воздействий, широко применяемый в СибНИИ мостов и при диагностике состояния по динамическим параметрам [5], получил развитие в работах других авторов [6-8].
С помощью рассматриваемого измерительного оборудования можно диагностировать состояние не только основных несущих конструкций, но и отдельных конструктивных элементов, например оценить удерживающую способность перильного ограждения на мостовом сооружении. Требуемые усилия были созданы механическим винтовым домкратом грузоподъемностью 1 т. При испытаниях для измерений была применена мобильная измерительная си-
стема. Усилие, создаваемое домкратом, фиксировали с помощью тензометрического динамометра (месдозы) системы «Тензор МС», а напряжения в элементах ограждений - тензодатчи-ками «Тензор МС». Расстановка оборудования показана на рис. 8, полученные результаты определения удерживающей способности стойки - на рис. 9.
Наличие опыта обследований, испытаний и диагностики технического состояния искусственных сооружений с использованием автоматизированных измерительных систем «Тензор», «Тензор М» и «Тензор МС» позволило перейти на новую ступень цифровой трансформации процесса оценки технического состояния -организацию систем мониторинга. Заметим, что разработанные под руководством С. А. Бока-рева автоматизированные системы управления техническим состоянием мостовых сооружений [9, 10] на железных и автомобильных дорогах и в муниципальных образованиях стали основой организации сквозной информатизации для систем мониторинга. Системный подход предполагает рассмотрение сооружения с учетом всех взаимосвязей между его элементами и свойствами, всех воздействий на него. Общая оценка технического состояния сооружения, получаемая в результате мониторинга, должна включать в себя и оценку состояния отдельных элементов системы. Однако автоматизированный мониторинг большого числа элементов на современном этапе развития - это дорогостоящее мероприятие. Поэтому на основе анализа
Рис. 9. Результаты оценки удерживающей способности
информации автоматизированных баз данных [5], проведения численных экспериментов на математических моделях, верифицированных по результатам испытаний, должны быть выбраны наиболее информативные параметры для осуществления контроля и оценки технического состояния. Повышение экономической эффективности может быть достигнуто сочетанием непрерывного и периодического
автоматизированного мониторинга в комплексной системе.
Проведенные исследования позволили разработать и внедрить системы мониторинга для таких уникальных сооружений, как Бугри-нский мост через р. Обь в г. Новосибирске, автодорожный мост через р. Иртыш на обходе г. Павлодара (Казахстан), железнодорожный мост через р. Зея.
Библиографический список
1. Яшнов А. Н., Снежков И. И. Диагностика дефектов мостовых сооружений с применением мобильных измерительных комплексов // Дефекты зданий и сооружений. Усиление строительных конструкций : сб. науч. ст. XX Науч.-метод. конф. ВИТУ (29 марта 2016 г.) / ВИ(ИТ) ВА МТО (ВИТУ). СПб., 2016. С. 91-94.
2. Малогабаритные автоматизированные системы для диагностики ИССО / С. А. Бокарев, И. И. Снежков, А. Н. Яшнов и др. // Путь и путевое хозяйство. 2007. № 9. С. 25-26.
3. Корректировка руководства по определению грузоподъемности железобетонных пролетных строений железнодорожных мостов : отчет о НИР (заключительный) / НИИЖТ ; рук. Г. М. Власов. Новосибирск, 1984. 55 с. № ГР 01830022159. Инв. № 0284.0072105.
4. Цай А. Г., Веремеенко В. Ф. Многоканальный тензометрический усилитель с автоматической балансировкой // Труды НИИЖТ. 1975. Вып. № 168. С. 108-111.
5. Яшнов А. Н., Снежков И. И. Опыт диагностики искусственных сооружений методом малых воздействий // Транспортные сооружения. 2019. № 3. иКЬ: Шр8:/Л-8.1Мау/РВР/238АТ8319.р^ (дата обращения: 18.04.2020).
6. Паримбетов А. А., Бондарь И. С. Экспериментальные исследования воздействия малых масс на металлическую балку железнодорожного моста // Транспорт в XXI веке: состояние и перспективы : сб. науч. тр. проф.-препод. состава и студентов, посвящ. 135-летию М. Тынышпаева. Алматы, 2016. С. 610-614.
7. Инструментальная диагностика металлических железнодорожных мостов / И. С. Бондарь, М. Я. Квашнин, Д. Т. Алдекеева, А. А. Зайцев // Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации железнодорожного пути : XV Междунар. науч.-техн. конф., посвящ. памяти проф. Г. М. Ша-хунянца. М., 2018. С. 259-265.
8. Квашнин М. Я., Бондарь И. С., Алдекеева Д. Т. Идентификация дефектов в балочных железобетонных пролетных строениях мостов // Автомобильные дороги и транспортная техника: проблемы и перспективы развития : сб. науч. тр. VII Междунар. науч.-практ. конф. / КазАДИ им. Л. Б. Ганчарова. Алматы, 2019. С. 67-72.
9. Бокарев С. А., Хабаров В. И. Автоматизированная система оценки технического состояния искусственных сооружений в ЦП МПС (простые формы анализа) // Транссиб 99 : тез. регион. науч.-практ. конф. (24-26 июня 1999 г., Новосибирск). Новосибирск, 1999. С. 129-130.
10. Бокарев С. А. Управление техническим состоянием искусственных сооружений железных дорог России на основе новых информационных технологий. Новосибирск : Изд-во СГУПС, 2002. 276 с.
A. N. Yashnov, 1.1. Snezhkov
Development of Diagnostics and Monitoring Systems for Bridges
Abstract. Inspection, testing, diagnostics and assessment of the technical condition of artificial structures with the development of recommendations for the operation mode are the main activity of the SibNII Bridges of the STU. The purpose of this work is to show possible ways to develop the instrument base and improve the methodology for diagnostics and monitoring of bridges. In addition to the generally accepted non-destructive testing equipment, including global positioning systems, it is advisable to develop multifunctional measuring systems for monitoring the stress-strain state of structures, which allow objectively diagnosing the technical status of structures.
The article provides examples of application of the Tensor MS measuring equipment developed in SibNII Bridges, which allows solving diagnostic problems at the most modern level. The special feature of the equipment is its low own weight and quickly installed high-sensitivity sensors of various types. To ensure the effective use of innovative measuring equipment, new methods of technical condition diagnostics have been developed. The most promising method is to study the behavior of elements of a bridge structure under small external influences.
The experience of surveys, tests and diagnostics of the technical condition of artificial structures using automated measuring systems, both in the field and in the laboratory, allowed us to move to a new stage of digital transformation of the technical condition assessment process - the organization of monitoring systems. The research made it possible to develop and implement monitoring systems for such unique structures as the city's Bugrinsky Bridge over the Ob River in Novosibirsk, the road bridge over the Irtysh River in Pavlodar (Kazakhstan), Railway Bridge across the Zeya River.
Key words: bridge; strain gauge equipment; diagnostics; monitoring; health assessment.
Яшнов Андрей Николаевич - кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Мосты» СГУПС, руководитель отдела диагностики и мониторинга мостов СибНИИ мостов СГУПС. E-mail: yan@stu.ru
Снежков Игорь Иванович - старший научный сотрудник отдела диагностики и мониторинга мостов СибНИИ мостов СГУПС. E-mail: igor.i.s@mail.ru
