Развитие и применение неразрушающих методов и средств вибрационного контроля качества предварительно напряженных железобетонных конструкций

Общая характеристика работы.

Актуальность темы

Проблема контроля качества строительных конструкций всегда имела актуальное значение, поскольку именно качество определяет уровень развития современного строительного производства. В настоящее время в нашей стране существует система выборочного контроля предварительно напряженных железобетонных конструкций балочного типа, которая регламентируется ГОСТом 8829−94, когда из конструкций определенной партии выбираются для контроля лишь несколько изделий. Согласно требованиям ГОСТ 8829–94 эти изделия испытываются методом статического нагружения до разрушения. Такой метод контроля неэффективен из-за своей неэкономичности, а также не высокой надежности и достоверности результатов контроля.

Более выгодны с экономической точки зрения неразрушающие методы испытания конструкций, среди которых особое место занимают вибрационные (резонансные) методы. Современный теоретический уровень знаний в области вибрационных технологий и экспериментальной механики достаточно высок. Вибрационные методы очень эффективно используются в машиностроении, где достигнуты весьма существенные результаты. Однако в строительном комплексе страны эти технологии практически не используются. Более того, в последние годы организация контроля качества железобетонных конструкций на ЗЖБИ существенно ухудшилась. На многих предприятиях резко сократилась численность служб ОТК, практически повсеместно не проводится пооперационный контроль по полной технологической схеме, да и государственный контроль со стороны Госстроя России и Госстандарта России по этому вопросу значительно снизился.

Основными причинами такого положения являются: отсутствие приемлемых научных разработок по применению вибрационных методов для контроля качества строительных конструкции конкретных видовотсутствие надежного и удобного в эксплуатации приборного комплекса и средств контроля для проведения динамических испытанийнизкая культура производства на предприятиях стройиндустрииотсутствие у производственников мотивации в повышении качества строительных конструкцийслабая законодательная база по ответственности за низкое качество конструкций.

В связи с указанными недостатками в области организации контроля качества на предприятиях строительной индустрии на первый план выходит проблема, связанная с разработкой теоретических основ, развитием и совершенствованием вибрационных методов диагностики и контроля качества строительных конструкций (в частности, предварительно напряженных железобетонных), а также разработкой надежного и удобного в эксплуатации приборного комплекса и средств контроля для реализации этих методов.

Объекты исследования. Объектами исследования являются: предварительно напряженные железобетонные конструкции балочного типа, а также методы и средства для реализации неразрушающего вибрационного контроля железобетонных конструкций.

Целью исследования является развитие и применение неразрушающих вибрационных методов для контроля качества и диагностики состояния предварительно напряженных железобетонных конструкций балочного типа.

Для достижения указанной цели необходимо решить два комплекса задач. Первый из них включает задачи, связанные с разработкой способов и приемов реализации методов вибрационного контроля качества и физико-механических свойств железобетонных конструкцийвторой — задачи, связанные с технической реализацией этих способов.

К первому комплексу задач относятся:

— разработка теоретических основ вибрационного метода применительно к задачам контроля качества и физико-механических свойств железобетонных конструкций балочного типа;

— разработка способов повышения точности определения динамических параметров железобетонных конструкций балочного типа (основной (или резонансной) частоты и декремента колебаний) за счет: выделения из регистрируемых результирующих колебаний информации о крутильных колебанияхосуществления дополнительного пригруза конструкции перед проведением динамических испытаний;

— определение критериев равноэнергетического вибрационного воздействия на контролируемые конструкции и разработка способов их практической реализации;

— модификация существующих способов обработки регистрируемой информации при проведении вибрационных испытаний конструкций за счет использования прямых аналитических зависимостей, связывающих контролируемые показатели качества железобетонных конструкций (прочность, жесткость, трещиностойкость и величина предварительного напряжения арматуры) с их динамическими параметрами;

— исследование возможности проведения вибрационных испытаний железобетонных конструкций с использованием продольных колебаний звукового диапазона и разработка способов контроля их качества при различных режимах возбуждения колебаний;

— разработка способов комплексного вибрационного контроля показателей качества и физико-механических свойств железобетонных конструкций с использованием поперечных и продольных колебаний при различных режимах их возбуждения;

— разработка приемов и способов закрепления контролируемых конструкций, позволяющих упростить процедуру закрепления их на опорахснизить акустическую связь опорных зон между собой и с испытуемым изделиемулучшить форму регистрируемых колебанийснизить величину энергии, необходимой для возбуждения колебанийповысить помехозащищенность средств измеренияулучшить условия труда операторов;

— исследование возможности использования в качестве эталонной конструкции изделия серийного изготовления;

— разработка способов контроля железобетонной конструкции балочного типа с целью выявления места расположения дефекта по ее длине.

Ко второму комплексу задач относятся:

— разработка конструктивно простых, надежных в работе, помехоустойчивых и универсальных в эксплуатации средств первичного преобразования перемещений (виброперемещений) с возможностью варьирования в широких пределах чувствительностью и динамическим диапазоном перемещений;

— исследование и оптимизация импульсных режимов работы измерительных преобразователей на основе нестандартных оптоэлектронных пар инфракрасного диапазона с открытым оптическим каналом;

— исследование свойств модулирующих основ, используемых в качестве дополнительного подвижного модулирующего элемента измерительных оптоэлектронных преобразователей;

— разработка специализированных модулирующих элементов измерительных оптоэлектронных преобразователей и способов их изготовления в виде оптического клина с требуемым законом изменения оптической плотности;

— разработка прибора для неразрушающего вибрационного контроля и интегральной оценки прочности, жесткости, трещиностойкости и величины предварительного напряжения арматуры железобетонных конструкций балочного типа по параметрам поперечных колебаний;

— разработка прибора для неразрушающего вибрационного контроля трещиностойкости железобетонных конструкций и измерения механических напряжений в арматуре по параметрам продольных колебаний;

— разработка конструкции универсального вибрационного стенда для проведения динамических испытаний железобетонных плит перекрытия и покрытия;

— разработка алгоритмов программных средств для специализированного аппаратно-программного комплекса на базе персонального компьютера типа IBM PC для проведения динамических испытаний и исследования физико-механических свойств железобетонных конструкций.

Методы исследования. В работе использованы фундаментальные методы расчета строительных конструкций, вариационные методы строительной механики, методы физико-механического и геометрического моделирования конструкций, изопериметрический метод расчета пластинок и метод интерполяции по коэффициенту формы.

Достоверность научных положений и полученных результатов подтверждается их сравнением с известными результатами, найденными с помощью фундаментальных аналитических и экспериментальных методов расчета строительных конструкций, а также с результатами проведенных в работе экспериментов.

Научная новизна работы состоит в следующем:

— разработаны теоретические основы неразрушающего вибрационного метода контроля качества железобетонных конструкций балочного типа и построены математические модели для оценки прочности, жесткости, трещино-стойкости и величины предварительного напряжения арматуры на основе их динамических параметров;

— определены критерии и разработаны способы равноэнергетического вибрационного воздействия на испытуемые конструкции;

— разработаны теоретические основы и методологические приемы реализации более 20 способов вибрационного контроля качества и диагностики физико-механических свойств железобетонных конструкций с использованием поперечных и продольных колебаний в отдельности и совместно, включая способы повышения точности определения динамических параметров, создания различных режимов колебаний (вынужденных, свободных и нестационарных), определения места расположения дефекта;

— разработаны конструктивно простые, надежные в работе, помехоустойчивые и универсальные в эксплуатации средства первичного преобразования перемещений (виброперемещений) на основе нестандартных оптоэлек-тронных пар инфракрасного диапазона с открытым оптическим каналом, в том числе с дополнительным подвижным модулирующим элементом;

— исследованы импульсные режимы работы оптоэлектронных пар с целью возможности варьирования в широких пределах чувствительностью и динамическим диапазоном измерения перемещений и проведена оптимизация этих режимов;

— исследованы свойства модулирующих основ, использующихся в качестве подвижного модулирующего элемента измерительных оптоэлектронных преобразователей, выполненного в виде оптического клина с требуемым законом изменения оптической плотности;

— разработаны алгоритмы программных средств для специализированного аппаратно-программного измерительного комплекса на базе персонального компьютера типа 1ВМ РС для проведения динамических испытаний и исследования физико-механических свойств железобетонных конструкций.

Приоритет и новизна предложенных способов вибрационного контроля качества и диагностики строительных конструкций подтверждается 18 авторскими свидетельствами, патентами на изобретения и свидетельствами об официальной регистрации программ для ЭВМ, выданными ФИПС России.

Практическая ценность работы заключается в том, что полученные в работе результаты теоретических и экспериментальных исследований позволяют подойти к практическому решению проблемы организации и проведения поточного неразрушающего контроля качества железобетонных конструкций с помощью вибрационного метода на новом техническом уровне за счет комплексного решения вопросов его теоретического, методологического, инструментального и программного обеспечения. При выполнении исследований:

— разработано более 20 способов вибрационного контроля качества и диагностики физико-механических свойств железобетонных конструкций и методологические приемы их практической реализации;

— разработаны рекомендации по использованию импульсных режимов работы оптоэлектронных пар и модулирующих элементов измерительных преобразователей перемещений (виброперемещений);

— показана возможность использования в качестве эталонной конструкции изделий серийного изготовления;

— разработаны специализированные модулирующие элементы измерительных оптоэлектронных преобразователей и предложены способы их изготовления;

— разработаны микропроцессорные приборы, предназначенные: для интегральной оценки прочности, жесткости, трещиностойкости и величины предварительного напряжения арматуры железобетонных конструкций балочного типа по параметрам поперечных колебанийдля контроля трещиностойкости железобетонных конструкций и измерения механических напряжений в арматуре по параметрам продольных колебаний;

— предложена конструкция универсального стенда для проведения динамических испытаний железобетонных плит перекрытия и покрытия;

— разработаны две программы для специализированного аппаратно-программного измерительного комплекса на базе персонального компьютера типа IBM PC для проведения динамических испытаний и исследования физико-механических свойств железобетонных конструкций.

На защиту выносятся:

— теоретические основы неразрушающего вибрационного метода контроля качества железобетонных конструкций балочного типа и математические модели для оценки прочности, жесткости, трещиностойкости и величины предварительного напряжения арматуры на основе их динамических параметров;

— динамические критерии для оценки физико-механических свойств железобетонных конструкций;

— критерии и способы равноэнергетического вибрационного воздействия на испытуемые конструкции;

— способы вибрационного контроля качества и физико-механических свойств железобетонных конструкций и диагностики их состояния с использованием поперечных и/или продольных колебаний;

— конструкции средств первичного преобразования перемещений (виброперемещений) на основе нестандартных оптоэлектронных пар инфракрасного диапазона с открытым оптическим каналом, в том числе с дополнительным подвижным модулирующим элементом;

— результаты исследования и оптимизации импульсных режимов работы оптоэлектронных пар измерительных преобразователей;

— результаты исследования свойств модулирующих основ, использующихся в качестве подвижного модулирующего элемента измерительных оптоэлектронных преобразователей;

— конструкции специализированных модулирующих элементов измерительных оптоэлектронных преобразователей и способы их изготовления в виде оптического клина с требуемым законом изменения оптической плотности;

— алгоритмы и специализированные программы для проведения динамических испытаний и исследований физико-механических свойств железобетонных конструкций с использованием аппаратно-программного измерительного комплекса на базе персонального компьютера типа 1ВМ РС;

— средства неразрушающего вибрационного контроля для проведения динамических испытаний железобетонных плит перекрытия и покрытия, включая:

— микропроцессорный прибор для контроля и интегральной оценки прочности, жесткости, трещиностойкости и величины предварительного напряжения арматуры железобетонных конструкций балочного типа;

— микропроцессорный прибор для контроля трещиностойкости железобетонных конструкций и измерения механических напряжений в арматуре;

— конструкцию универсального вибрационного стенда. Публикации. По материалам диссертации опубликовано более 100 научных работ, в том числе получено 18 авторских свидетельств, патентов на изобретения и свидетельств об официальной регистрации программ для ЭВМ.

Апробация работы. Результаты исследований, приведенные в диссертации, многократно докладывались на научно-технических конференциях разного уровня, в том числе на: Ш-й Международной научной конференции «Материалы для строительных конструкций» (Днепропетровск, 1994) — П-й и Ш-й Международных научных конференциях «Циклические процессы в природе и технике» (Ставрополь, 1994, 1995) — Международной научно-технической конференции «Современные проблемы строительного материаловедения» (Казань, 1996) — 1У-й Международной конференции «Циклы природы и общества» (Ставрополь, 1996) — 51-й Международной научно-технической конференции молодых ученых с участием студентов, аспирантов и докторантов (Санкт-Петербург, 1997) — УП-й Международной научно-технической конференции «Оптические, радиоволновые, тепловые методы и средства контроля природной среды, материалов и промышленных изделий» (Череповец, 1997) — 1-й, 2-й и 4-й Международных научных конференциях «Циклы» (Ставрополь, 1999; 2000; 2002) — Международной научно-технической конференции «Проблемы строительного и дорожного комплексов» (Брянск: БГИТА, 1998) — Международной научно-технической конференции «Механика и новые технологии» (Севастополь, 1995) — 4-й и 5-й Международных конференциях «Нелинейные колебания механических систем» (Нижний Новгород, 1996, 1999) — Всероссийской научно-технической конференции «Физико-механические свойства материалов и их экспрессная оценка неразрушающими методами и портативными техническими средствами» (Волгоград, 1995) — П-й и Ш-й Всероссийских научно-технических конференциях «Вибрационные машины и технологии» (Курск, 1995, 1997) — межвузовской научной конференции «Лейбниц — мыслитель, философ, человек (к 350-летию со дня рождения)» (Ставрополь, 1996) — 1-й, 3-й, 4-й и 5-й региональных научно-технических конференциях «Вузовская наукаСеверо-Кавказскому региону» (Ставрополь, 1997, 1999; 2000, 2001) — на вторых Международных академических чтениях РААСН «Новые энергосберегающие архитектурно-конструктивные решения жилых и гражданских зданий» (Орел, 2003) и др.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация изложена на 370 страницах машинописного текста и состоит из введения, девяти глав, основных выводов, списка литературы, включающего 226 наименований и 8 приложений объемом 266 страниц. В работе приведены 15 таблиц, 117 рисунков и 2 схемы алгоритмов в первом томе, 7 таблиц, 26 рисунков и 2 исходных текста программ в приложениях.

Основные выводы.

Обобщая результаты исследований, полученные в работе, можно сделать вывод о том, что в диссертации разработаны теоретические положения, совокупность которых можно квалифицировать как новое крупное достижение в развитии научного направления по разработке, совершенствованию и применению неразрушающего вибрационного метода и средств контроля качества и диагностики состояния железобетонных конструкций балочного типа. Основные результаты исследования можно разделить на две группы.

1. К первой группе относятся результаты, связанные с разработкой способов и приемов реализации методов вибрационного контроля качества и физико-механических свойств железобетонных конструкций:

1.1 Разработаны теоретические основы вибрационного метода контроля качества и физико-механических свойств железобетонных конструкций балочного типа с использованием поперечных колебаний. Предложены и обоснованы новые динамические критерии для диагностики железобетонных конструкций (коэффициент нелинейных искажений и коэффициент амплитудной модуляции колебательной системы) и даны рекомендации по их использованию.

1.2 Разработан модифицированный метод проведения вибрационных испытаний конструкций с возбуждением в них поперечных колебаний, в основу которого положено использование аналитических зависимостей, связывающих контролируемые показатели качества железобетонных конструкций (прочность, жесткость, трещиностойкость и величина предварительного напряжения арматуры) с основной (резонансной) частотой колебаний конструкций.

1.3 Сформулирован и обоснован критерий равноэнергетического вибрационного воздействия на контролируемые конструкции и разработаны способы его практического использования.

1.4 Разработаны способы повышения точности определения динамических параметров плоских железобетонных плит (основной (или резонансной) частоты и декремента колебаний) путем осуществления их предварительного пригруза, а также выделения крутильной компоненты колебаний, возникающей в изделиях с дефектом неплоскостности нижней грани.

1.5 Исследована возможность проведения вибрационных испытаний железобетонных конструкций с использованием продольных колебаний звукового диапазона частот и разработаны способы контроля трещиностойкости и величины предварительного напряжения арматуры (как на стадии пооперационного контроля, так и непосредственно в составе готовой конструкции) по параметрам продольных колебаний. Показано, что при использовании продольных колебаний расширяется область применения методов неразрушающего вибрационного контроля, появляется возможность более полного выявления изменений физико-механических свойств контролируемых изделий, существенно упрощается процесс контроля и снижаются затраты на его проведение, повышается точность и помехозащищенность результатов контроля (особенно при использовании приема подвеса конструкций на податливых опорах), улучшаются условия труда операторов.

1.6 Разработаны способы комплексного вибрационного контроля качества и диагностики железобетонных конструкций с использованием поперечных и продольных колебаний при различных режимах их возбуждения.

1.7 Проведен большой объем экспериментальных вибрационных исследований натурных железобетонных конструкций с целью практической отработки предложенных методик и способов испытаний. Результаты экспериментальных исследований подтвердили в целом теоретические выводы, полученные в работе.

2 Ко второй группе относятся результаты, связанные с разработкой приборов и технических средств измерений:

2.1 Разработаны надежные в работе, помехоустойчивые и универсальные в эксплуатации средства первичного преобразования перемещений (виброперемещений) на основе нестандартных оптоэлектронных пар инфракрасного диапазона с открытым оптическим каналом, и проведен тщательный экспериментальный анализ их работоспособности при различных импульсных режимах работы с целью значительного повышения чувствительности и расширения динамического диапазона измерения перемещений.

2.2 Исследованы свойства модулирующих основ, используемых в качестве дополнительного подвижного модулирующего элемента измерительных оптоэлектронных преобразователей и выработаны рекомендации по их применению.

2.3 Разработаны специализированные модулирующие элементы измерительных оптоэлектронных преобразователей, позволяющие существенно повысить точность определения динамических параметров контролируемых конструкций, и предложены способы изготовления этих элементов в виде оптического клина на просвечиваемой или отражающей основе с требуемым законом изменения оптической плотности.

2.4 Разработаны и апробированы в условиях заводского производства опытные образцы микропроцессорных приборов: для неразрушающего вибрационного контроля и интегральной оценки прочности, жесткости, трещино-стойкости и величины предварительного напряжения арматуры железобетонных конструкций балочного типа по параметрам поперечных колебанийдля контроля трещиностойкости железобетонных конструкций и измерения механических напряжений в арматуре по параметрам продольных колебаний.

2.5 Разработана конструкция универсального вибрационного стенда для проведения динамических испытаний железобетонных плит перекрытия и покрытия при возбуждении в них поперечных и продольных колебаний, в том числе с использованием элементов статического нагружения.

2.6 Разработаны программы для специализированного аппаратно-программного измерительного комплекса на базе персонального компьютера типа IBM PC для проведения динамических испытаний и исследования физико-механических свойств железобетонных конструкций при различных режимах возбуждения продольных и поперечных колебаний.