CC BY
23
Быкова Н.М. УДК 624.19: 551.248: 625.17
СИСТЕМА МОНИТОРИНГА ГЕОДИНАМИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ (СМГБ) МОСТА ЧЕРЕЗ РЕКУ АНГАРА В Г. ИРКУТСКЕ
Целесообразность создания СМГБ моста через реку Ангара.
Современные нормы проектирования мостов и труб (СНиП 2.05.03-84*) и нормы строительства в сейсмических районах (СНиП И-7-81*) не охватывают особенности проектирования, строительства и эксплуатации искусственных сооружений, попадающих в зоны разломов. Большие мосты рекомендуется располагать вне зон тектонических разломов, в то же время известно, что речная сеть в большинстве случаев ориентирована по простиранию разломов и практически почти все мосты пересекают разломы. Работа мостов в течение срока службы в таких местах зависит от характера и интенсивности разломной тектоники. Смещения опор мостов, связанные с разломной тектоникой, особенно влияют на работу статически неопределимых систем. В мировой практике известно много примеров обрушений таких мостов при неоднозначно установленных причинах. Новый мост через реку Ангара построен в виде неразрезных систем, в том числе, с переменной высотой сечения в русловой части. Применение предварительно напряженного монолитного железобетона говорит о том, что дополнительные нагрузки и воздействия приведут как к статическому перераспределению усилий, так и за счет ползучести бетона. Проект моста составлен под современные автомобильные нагрузки с учетом сейсмических воздействий силой 9 баллов по шкале MSK-64. Дополнительными нагрузками могут оказаться неравномерные смещения опор, так как мост расположен в зоне пересечения Ангарского и Университетского разломов [1]. Активность разломов подтверждается многими факторами [1], об этом говорит также характерный рельеф берегов Ангары. Создание системы мониторинга геодинамической безопасности позволит контролировать любые изменения напряженно - деформированного состояния мостовых конструкций, своевременно применить конструк-
тивные защитные меры, и таким образом управлять безопасностью мостового сооружения.
Структура и содержание СМГБ транспортных сооружений на примере моста через реку Ангара в г. Иркутске.
Система мониторинга геодинамической безопасности транспортных сооружений должна предусматривать:
- геодезический мониторинг прилегающего района территории расположения сооружения и конструкций сооружения;
- деформационный мониторинг конструкций сооружений;
- мониторинг физического состояния материалов конструкций;
- математическое моделирование работы сооружения с учетом контролируемых параметров с целью прогнозирования его поведения.
В случае прогноза развития отклонений контролируемых параметров от нормируемых величин существующий запас времени позволит применить защитные мероприятия для обеспечения безопасной эксплуатации сооружения.
Для моста через реку Ангара была создана система мониторинга геодинамической безопасности в 2008 г. Были созданы подсистемы геодезического, деформационного мониторинга, мониторинга прочностных свойств бетона и математические модели конструкций пролетных строений моста. Одновременное проведение испытания моста на автомобильную нагрузку позволило проверить как техническое состояние конструкций, так и корректность работы математической модели пролетных строений.
В рамках геодезического мониторинга создана опорная сеть на базе разбивочной основы строительства моста (рис.1). Работа выполнялась совместно со специалистами ОАО «Иркутскжел-дорпроект». Сеть мониторинга деформаций
МЕХАНИКА. ТРАНСПОРТ. МАШИНОСТРОЕНИЕ. ТЕХНОЛОГИИ
конструкций моста образована специальными деформационными марками, закрепленными на пролетных строениях верхового и низового мостов. В качестве исходных пунктов опорной геодезической сети использована группа стенных реперов государственной нивелирной сети, расположенных за пределами зоны мостового перехода.
Определения координат пунктов опорной геодезической сети мониторинга выполнены с использованием комплекса из 6-ти двухчастотных геодезических приемников сигналов GPS марки Trimble 5700 производства ф. Trimble Navigation Ыё.(США). В комплект приемников входили приемные антенны типа Zephyr и Zephyr Geodetic, контроллеры типа TSCe, программного комплекса Trimble Geomatics Office(TGO) v-1.63 для математической обработки результатов.
Спутниковые измерения на объекте мониторинга были поддержаны непрерывной работой пункта ФАГС РФ в Иркутске, осуществляемой
силами специалистов Восточно-Сибирского филиала Всероссийского НИИ физико-технических и радиотехнических измерений (ВСФ ВНИИФТРИ). На этом пункте в наблюдениях спутников ГЛО-НАСС и GPS задействованы 3-и двухчастотных геодезических приемника - TurboRogue SNR-8000 и Micro-Z для наблюдений спутников GPS от одной приемной антенны класса Choke Ring типа Margolin Dorne Т(пункт IRKT/IRKM), а также приемник Legacy-E GGD с приемной антенной класса Choke Ring типа RegAnt-1 - для наблюдений спутников GPS и ГЛОНАСС (пункт IRKJ). Поскольку приемники ВСФ ВНИИФТРИ действуют в рамках отечественной и международной служб мониторинга геодинамических явлений, то вся информация о их деятельности и результаты измерений доступны благодаря ИНТЕРНЕТ.
Сформированная геодезическая сеть показана на рис.2. Определение координат и высотных отметок деформационных марок на мосту опреде-
деформ ационных марок
1
Рис. 2. Схема геодезической сети, созданной по результатам спутниковых измерений в районе мостового перехода в цикле наблюдений 2008г
Рис. 3. Пример сшитого «облака точек» лазерного сканирования для отдельного блока конструкции моста
лялись с привязкой к основной ОГС с помощью тахеометрической съемки (электронный тахеометр Sokkia) и геометрического нивелирования II -III классов точности (электронный нивелир DiNi-03). Апостериорная оценка точности нивелирования II класса, выполненная по результатам уравнивания с помощью программы «Кредо-Нивелир», показала, что оно характеризуется СКП превышения в ходе длиной 1км Шщ 1км=0,69мм, что несколько точнее обычной нивелировки II класса, которая характеризуется величиной шм 1км=0,84мм.
Лазерное сканирование моста позволило создать цифровую модель сооружения в координатах государственной сети (рис.3). Сканирование элементов конструкции верхового и низового мостов выполнялось с помощью сканера Scan Station HDS 3300 №0709390602 производства ф. Leica (Швейцария).
Начальный банк данных координат цифровой модели моста является основой оценки изменяемости ее положения в привязке ко времени и пространственным относительно неизменным пунктам.
Целью организации деформационного мониторинга - слежение за статическими и динамическими деформациями предварительно напря-
женных железобетонных пролетных строений мостов верхового и низового направлений. Работа выполнялась совместно со специалистами кафедры «Мосты» СибГУПС. В системе деформационного мониторинга геодинамической безопасности моста через р.Ангару для фиксации напряженного состояния установлены специально разработанные тензодатчики, а для фиксации динамических параметров сооружения - вибродатчики - акселерометры с чувствительными преобразователями типа А1612, выпускаемыми отечественной промышленностью, и ADXL213, фирмы «Analog Device».
Тензодатчики выполнены на основе пары тензорезисторов, наклеенных на металлическую пластину-удлинитель арочного типа по схеме «полумост». Основной и компенсирующий тензо-резисторы подключаются к системе через контактную площадку, жёстко закреплённую в месте измерения. Тензорезисторы имеют следующие параметры: сопротивление - 400 Ом; база -50 мм; коэффициент тензочувствительности - 2,1. База тензодатчика за счет пластины-удлинителя увеличивается до 300 мм, что обеспечивает возможность выполнения измерений на бетоне в железобетонных конструкциях пролетного строения.
МЕХАНИКА. ТРАНСПОРТ. МАШИНОСТРОЕНИЕ. ТЕХНОЛОГИИ
Рис. 4. Схема расстановки датчиков системы мониторинга
Схема расстановки тензодатчиков (рис.4) выбрана таким образом, чтобы обеспечить возможность измерения напряженного состояния в сечениях с максимальными внутренними усилиями. Помимо датчиков, фиксирующих НДС конструкции, в ненапряженных местах были установлены компенсационные температурные датчики, позволяющие корректировать результаты измерений с учетом разности температур. Пример установки
Рис. 5. Установка приборов в нижней зоне стенки коробки пролетного строения (1 -тензодатчик для долговременных наблюдений 2 - механический деформометр; 3 - съемный тензодатчик; 4- предусилитель)
тензодатчиков, усилителей и регистрирующих блоков системы мониторинга показан на рис. 5.
Наиболее ответственным элементом системы сбора вибрационных данных является вибродатчик, служащий для преобразования механических колебаний в электрический сигнал. Измерению подлежат виброускорения точек конструкции, в которых проявляется возможно большее количество форм колебаний (над опорами, в пролета и в пролета). Для измерения динамических характеристик пролетного строения использованы акселерометры. В каждой точке измерения формируется динамический блок системы мониторинга (рис. 6), состоящий из трех вибродатчиков (для фиксации вертикальных, горизонтальных поперечных и горизонтальных продольных колебаний), измерительного блока и регистрирующего блока на базе карманного персонального компьютера с соответствующим программным обеспечением. Динамическое тестирование технического состояния мостов в последнее время стало преобладающим методом в мировой практике. Примеры полученных вибро- и спектрограмм приведены на рис. 7.
Рис. 6. Динамический блок системы деформационного мониторинга (1 - вибродатчик для фиксации поперечных горизонтальных колебаний; 2 - вибродатчик для фиксации вертикальных колебаний; 3 - кабельные каналы связи; 4 - регистрирующий блок; 5 - измерительный блок; 6 -вибродатчик для фиксации продольных горизонтальных колебаний)
Зафиксированные отсчеты тензодатчиков и динамических параметров позволят стать начальной базой данных, по сравнению с которой можно будет отслеживать изменение аналогичных параметров в процессе эксплуатации моста. Однако для прогноза необходим расчетный инструмент,
позволяющий предусматривать поведение конструкции в зависимости от изменения каких-либо внешних параметров, например, смещения опор мостов.
С этой целью создана математическая модель шестипролетного неразрезного предварительно-напряженного железобетонного пролетного строения на базе ПВК МГОА8/Ст1. В основу формирования модели заложены проектные геометрические размеры, физические характеристики материалов, проектное расположение, геометрические параметры и усилия натяжения арматуры с учетом потерь, определяемых по реальным вытяжкам пучков, зафиксированным во время изготовления. Потери напряжений с учетом ползучести и усадки бетона находились с учетом рекомендаций [2].
Проверочные расчеты по двум группам предельных состояний на постоянные нагрузки и проектную временную автодорожную нагрузку А-14, НК-80 подтвердили, что прочность, выносливость и трещиностойкость русловой части моста отвечают требованиям нормативных документов. Во время обследования и испытания моста проведено сравнение результатов расчета модели на испыта-
Рис. 7. Пример виброграммы и спектрограммы вертикальных колебаний моста верхового направления
МЕХАНИКА. ТРАНСПОРТ. МАШИНОСТРОЕНИЕ. ТЕХНОЛОГИИ
оо оо
тельную нагрузку (китайские груженные автомобили «ЗИаапхЪ) с весом 41-50 тс) с фактически измеренными показателями прогибов и деформаций, которое показало высокий конструктивный коэффициент: по прогибам -0.8, по напряжениям - 0.9. Модели и прогибы от испытательной нагрузки показаны на рисунке 8.
Для контроля прочностных характеристик бетона применяется мониторинг физических характеристик материала конструкции. Создан начальный банк данных прочностных характеристик бетона пролетных строений и опор моста.
Выводы
1. Для решения проблемы обеспечения безопасности и надежности эксплуатации транспортных сооружений, расположенных в зоне активных геологических разломов, предложена система мониторинга геодинамической безопасности. СМГБ включает геодезический, деформационный мониторинг, наблюдения за физическим состоянием материалов конструкций и математическое моделирование сооружения с целью прогноза поведения его в зависимости от изменяемых контролируемых параметров.
2. Предложенная система мониторинга геодинамической безопасности разработана применительно к новому мосту через реку Ангара в г. Ир-
кутске, особенностями которого является применение неразрезных систем, предварительно напряженного монолитного железобетона и расположение в зоне пересечения активных тектонических разломов.
3. Созданная опорная геодезическая сеть территории моста и сеть деформационных марок пролетных строений позволит проводить наблюдения за смещениями земной поверхности и конструкций моста относительно пунктов государственной сети. Плановые и высотные съемки с использованием ОРБ-оборудования, тахеометра, высокоточного нивелирования и лазерного сканирования сформировали начальный банк данных на период 2008 года.
4. Установленная в коробки пролетных строений подсистема деформационного мониторинга с использованием тензо и вибродатчиков создала основу для контроля напряженно-деформированного состояния конструкций моста в эксплуатации. Вместе с начальными отсчетами приборов зафиксированы данные прочности бетона конструкций до ввода в эксплуатацию моста.
5. Математическая модель пролетного строения, адекватность которой подтверждена в ходе испытания моста высокими конструктивными коэффициентами по прогибам и напряжениям в
Рис. 8. Математическая модель -а) и фрагмент прогибов в см при несимметричном нагружении испытательной нагрузки - б)
коробке, является инструментом прогнозирования поведения конструкций с учетом изменяемых контролируемых параметров.
БИБЛИОГРАФИЯ
1. Быкова, Н. М. Анализ разломной структуры и сейсмической опасности в зоне мостового пе-
2.
рехода через реку Ангара в г. Иркутске / Быкова Н. М., Семенов Р. М. // Современные технологии, системы управления и математическое моделирование. - 2009. - № 1. - С. 157-163. Харлаб, В. Д., Определение потерь предварительного напряжения от ползучести и усадки бетона / Харлаб В. Д., Созинов В. В. // Транспортное строительство. - 1976. - № 12. - С. 34.
