Методика экспериментальной оценки динамических характеристик пролётных строений автодорожных мостов

Актуальность темы

Продолжающийся рост автомобильных перевозок при непрерывном обновлении автопарка страны и увеличении грузоподъёмности и мощности автомобилей вызывает увеличение динамической нагруженно-сти мостов, приводит к необходимости их ремонта раньше установленных сроков и требует более точного учёта запасов прочности и долговечности.

Это естественным образом обостряет проблему экспериментальной оценки динамических характеристик пролётных строений методами неразрушающе-го контроля, чтобы повысить полноту и достоверность информации о состоянии сооружения и выйти на. более точную оценку его прочности и долговечности.

Методы проектирования и расчётов в настоящее время также бурно развиваются, расчётные модели становятся всё более сложными, требуют создания новых систем контроля качества расчётов и их экспериментальной проверки.

В то же время экспериментальная оценка динамических характеристик мостов в существующих нормативных документах недостаточно строго регламентирована и специальные технические средства для этой цели не разрабатывались.

Цель работы: создание методики получения динамических характеристик пролётных строений мостов различных конструкций и технических средств для испытаний мостовых сооружений путём вибрационных неразру-шающих методов исследований.

Задачи исследования. Определение набора динамических характеристик, являющихся наиболее стабильными, отражающими напряжённо-деформируемое состояние сооружения. Динамические испытания различных конструкций мостов с получением динамических характеристик и оформлением их в виде электронной базы данных. При необходимости создание технических и программных средств для получения динамических характеристик не-разрушающими методами, с минимизацией человеческого фактора. Демонстрация возможности получения тех же динамических характеристик расчётным путём.

Объектом исследования являлись автодорожные мосты и путепроводы различных конструкций: металлические и железобетонные, в том числе сборные и монолитныеразрезные и температурно неразрезныес одним или несколькими пролётамибалочные, консольно — подвесные, арочные с ездой поверху.

Методы исследования. Основной метод исследований — экспериментальная оценка данных для вычисления спектров реакций на динамическое на-гружение конструкций мостов с минимизацией шума на выходе и реализации режима управляемого эксперимента со встроенной функцией контроля в цифровом и графическом виде. Реализация режима управляемого эксперимента основана на методах распараллеливания задач ввода — вывода и обработки данных в реальном времени с задействованием аппаратных прерываний и каналов прямого доступа к памяти, что позволило минимизировать влияние человеческого фактора на результаты измерений.

Научная новизна работы.

1. Разработана методика экспериментальной оценки динамических характеристик пролётных строений автодорожных мостов, включающая технические средства и электронную базу данных с целью аппаратурной диагностики мостовых конструкций методами неразрушающего контроля. Впервые получены экспериментальные комплексные спектры реакции пролётного строения на единичное гармоническое воздействие, что позволило повысить полноту и достоверность информации о состоянии сооружения.

2. Впервые с помощью специально созданных технических средств в виде действующего мобильного комплекса вибродиагностики сооружений (МКВС) стало возможным получение матрицы спектров реакции на динамическое нагружение конструкций мостов с минимизацией шума на выходе в автоматическом режиме с отображением результатов в реальном времени и исключением влияния человеческого фактора.

3. В результате исследований взаимодействия транспортных потоков с мостовыми сооружениями на основе настоящей методики были получены динамические характеристики пролётных строений автодорожных мостов и оформлены в виде электронной базы данных, которая является исходным статистическим материалом для оценки технического состояния мостовых сооружений в рамках системы контроля и оценки качества проектирования, строительства, эксплуатации и реконструкции транспортных сооружений.

Практическая ценность работы. Разработанная методика и технические средства позволяют с помощью комплексных передаточных функций производить экспериментальную оценку динамических свойств мостов в частотной области, что используется для получения экспериментально-расчётной оценки напряжённо-деформированного состояния сооружения с возможностью более точного обнаружения дефектов конструкции пролётных строений.

Реализация результатов работы. Разработаны методические рекомендации Росавтодора по вибродиагностике автодорожных мостов, которые содержат: методы вибродиагностики, включая оценку функции частотной реакцииперспективные характеристики технических и программных средствэкспериментальные и теоретические методы анализа и оценки результатов динамических испытаний с использованием экспериментальных передаточных функций. Создан опытный комплекс вибродиагностики строительных сооружений (МКВС) и разработана методическая инструкция МНЗО ОАО ЦНИИС. Методика метрологического обеспечения технических средств вошла в рабочую инструкцию РИ32 ОАО ЦНИИС.

Апробация работы.

Основные положения проведённых исследований и полученных результатов докладывались на научно-технических конференциях и секциях учёного совета ОАО ЦНИИС в 1992 — 2005 годах.

Публикации. По результатам исследования опубликовано 6 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, в котором даётся общая характеристика работы, шести глав, общих выводов и результатов, списка литературы из 42 наименований. Общий объем работы составляет 161 страницу, в том числе 131 страницу основной части, включая 19 таблиц и 82 рисунка.

Общие выводы и результаты.

1. Проведён анализ отечественного и зарубежного опыта получения экспериментальных динамических характеристик мостов и сделан вывод о том, что раздельное исследование динамики мостовых конструкций и обращающейся нагрузки даёт более точные данные о состоянии сооружения и позволяет решать более сложные задачи, например, проблему повреждения мостов от неуравновешенных масс локомотивов.

2. На базе теории колебаний проанализированы различные методы получения динамических характеристик, было обращено внимание на то, что качество любого метода нельзя рассматривать в отрыве от технических средств и в качестве базового был выбран метод оценки спектров реакций от единичного синусоидального воздействия с минимизацией шума на выходе (передаточная функция с оценкой случайной погрешности).

3. Впервые для мостовых конструкций получены комплексные экспериментальные спектры реакций от синусоидального единичного усилия с минимизацией шума на выходе (передаточные функции с оценкой случайной погрешности).

4. Установлена связь между динамическими характеристиками пролётных строений и традиционными, статическими характеристиками.

5. Проведены динамические испытания серии из 70-ти мостов разных конструкций в соответствии с действующими нормативными документами с получением семейства передаточных функций, а также откликов на проходящую нагрузку.

6. Создана объектно — ориентированная база данных, объединившая результаты испытаний строительных сооружений для оценки технического состояния мостов в рамках системы контроля и оценки качества проектирования, строительства, эксплуатации и реконструкции транспортных сооружений.

1. Для более качественной иллюстрации настоящей методики, из базы данных выбраны примеры мостов с разными конструкционными особенностями и представлены в настоящей работе с приведением всех существенных этапов испытаний и полученных результатов, в том числе рассмотрен ряд дефектов в связи с их влиянием на передаточные функции.

8. Рекомендованы способы оценки динамического коэффициента с помощью современных технических средств с точки зрения их унификации для последующего совершенствования нормативной базы.

9. Для обеспечения практической ценности работы определены технические характеристики, которым должны удовлетворять средства измерений для получения передаточных функций и создан действующий мобильный комплекс вибродиагностики сооружений (МКВС), позволяющий проводить аппаратурную диагностику мостовых конструкций методами неразрушаю-щего контроля.

Ю.Получение передаточных функций строительных сооружений реализовано в автоматическом режиме при управлении от ПЭВМ, с обработкой экспериментальных данных с оценкой случайной погрешности и отображением результатов в реальном времени, что позволило минимизировать влияние человеческого фактора и повысить полноту и достоверность информации о состоянии сооружения.

11.Разработана методика метрологического обеспечения измерительной лаборатории МКВС, которая вошла в рабочую инструкцию РИЗ2 ОАО ЦНИИС [10].

12.Методика получения передаточных функций мостовых конструкций вошла в состав Методической инструкции МНЗО [5] ОАО ЦНИИС и Методических рекомендаций Росавтодора [4] по вибродиагностике мостов.

13.Выполнены два варианта расчётов пролёта из сборного железобетона. Первый вариант — на базе аналитической модели динамической системы с одной степенью свободы, второй вариант — численный расчёт по МКЭ-модели с помощью системы СОЗМОЗМ. Обе модели дают хорошую сходимость с экспериментальными данными по собственным частотам и удовлетворительную по амплитудам и массе. Улучшение качества расчётных моделей является задачей для дальнейших исследований.