Способ вибрационных испытаний пролетных строений мостовых конструкций

 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для вибрационных испытаний пролетных строений мостовых конструкций. Суть способа: к пролетному строению прикладывают подвижную нагрузку в виде естественного транспортного потока, движущегося по пролетному строению, возбуждающую в нем вынужденные и собственные колебания. Регистрируют колебания одновременно в нескольких точках. Рассчитывают частотные и взаимные частотно-фазовые спектры колебаний по всем точкам измерения. Частоту собственных колебаний определяют по максимумам просуммированного по всем точкам измерения. Частоту собственных колебаний определяют по максимумам просуммированного по всем точкам измерения взаимного частотно-фазового спектра. Вычитают найденные таким образом собственные частоты из частотных спектров, из которых по максимальному и среднему значениям вынужденных колебаний судят о динамических коэффициентах. Использование предлагаемого способа позволяет добиться высокой точности измерения динамических характеристик колебательного процесса пролетных строений мостовых конструкций под действием подвижной нагрузки без остановки естественного транспортного потока. 1 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для вибрационных испытаний пролетных строений мостовых конструкций в условиях естественного транспортного потока (в условиях их эксплуатации).

Известен способ динамических испытаний пролетных строений [1], который заключается в том, что в середине строения прикладывают нагрузку, возбуждающую в пролетном строении колебания. Затем регистрируют частоту первой формы этих колебаний. Дополнительно прикладывают статическую нагрузку в середине строения, повторно возбуждают колебания в этом строении и регистрируют изменившуюся частоту первой формы колебаний. После чего оценивают (прогнозируют) несущую способность строения, которая зависит от массы строения, критической частоты и измеренных частот первой формы собственных колебаний строения.

Определение параметров колебаний пролетного строения этим способом осуществляется под действием статической нагрузки и использовать этот способ в условиях движущегося транспортного потока невозможно. По этому способу прогнозируется несущая способность пролетного строения, но точность такого прогноза невысока, поскольку не учитывается действие движущейся нагрузки в разных точках конструкции. Движущаяся нагрузка способна создать опасность разрушения конструкции вследствие возникновения резонансных явлений.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ динамических испытаний пролетных строений моста [2, с. 162-168] . Он заключается в том, что к пролетному строению прикладывают через определенные интервалы времени подвижную временную нагрузку. Обычно для этих целей используют одиночные машины с известными скоростями движения. Регистрируют во времени вертикальные колебания пролетного строения и записывают прогибограммы вынужденных колебаний и виброграммы собственных колебаний. Зарегистрированные в разные промежутки времени прогибограммы сравнивают между собой, выявляют максимальную и среднюю амплитуду вынужденных колебаний и по ним судят о значениях динамических коэффициентов при различных скоростях движения транспортных средств, а частоты собственных колебаний определяют по виброграммам, зарегистрированным непосредственно после прекращения действия подвижной нагрузки на пролетное строение.

Однако этот способ не отражает реальной картины динамического воздействия на пролетное строение естественного транспортного потока. Кроме того, для проведения измерений требуется остановка естественного транспортного потока и организация движения по пролетному строению одиночных транспортных средств с заданной скоростью и интервалом движения, что существенно снижает оперативность и удорожает проведение испытаний пролетного строения. Для регистрации прогибограмм и виброграмм используются механические приборы, например универсальный прибор Гейгера [2, с.137-140]. Основным недостатком подобных приборов является плохая достоверность измерений при регистрации частот колебаний исследуемого пролетного строения ниже 3-5 Гц, поскольку начинает влиять инерционность маятника прибора. На практике требуется измерение колебаний пролетного строения мостовой конструкции с частотами по крайней мере на порядок меньше указанных выше.

Для регистрации прогибограмм и виброграмм при динамических испытаниях пролетных строений используют также прибор, действующий по принципу моста Уитстона [3, с. 34-39]. В одну диагональ моста включен регистрирующий прибор, например осциллограф, в другую - источник тока. Тензорезистор, наклеенный на элемент конструкции пролетного строения, служит чувствительным элементом и включается в одно из плеч моста Уитстона. Во втором плече моста включают второй тензорезистор, служащий для компенсации изменения температуры окружающего воздуха. Осциллограф можно снабдить фотонасадками для регистрации исследуемого колебательного процесса на пленку. Описанное устройство позволяет исследовать колебательные процессы, происходящие в пролетном строении. Основные недостатки данного устройства: низкая оперативность, обусловленная необходимостью подготовки (приклеивания) тензорезисторов к исследуемой поверхности конструкции, релаксация проволоки тензорезистора и клеевого шва, что снижает точность измерений, невозможность использования тензорезистора после тарировки.

Задача изобретения - добиться высокой точности измерения динамических характеристик колебательного процесса пролетных строений мостовых конструкций под действием подвижной нагрузки без остановки естественного транспортного потока.

Задача решена следующим образом.

По способу вибрационных испытаний, заключающемуся в том, что к пролетному строению мостовой конструкции прикладывают подвижную нагрузку, возбуждающую в нем вынужденные и собственные колебания, и регистрируют их во времени, в качестве подвижной нагрузки используют естественный транспортный поток, движущихся по пролетному строению, причем вертикальные колебания пролетного строения регистрируют одновременно в нескольких точках измерения, рассчитывают частотные и взаимные частотно-фазовые спектры колебаний по всем точкам измерения, частоту собственных колебаний определяют по максимумам просуммированного по всем точкам измерения взаимного частотно-фазового спектра, из частотных спектров сначала вычитают найденные собственные частоты и затем определяют вынужденные колебания, по которым судят о динамических коэффициентах.

Заявляемый способ отличается от прототипа следующими основными признаками.

- Во-первых, в качестве подвижной нагрузки используется естественный транспортный поток, в котором могут присутствовать транспортные средства с различным весом, габаритом и скоростью движения. Естественный транспортный поток не нарушается. Для анализа колебаний пролетного строения используется основное качество такого потока транспортных средств - его случайный характер. Именно этот факт позволяет достичь качественно нового уровня в решении задачи исследования динамических характеристик мостовой конструкции.

- Вторым отличительным признаком является использование для регистрации вертикальных колебаний пролетного строения одновременно нескольких точек измерения. Известно, что если конструкцию подвергнуть случайному воздействию, то спектр реакции, измеренный в любой точке конструкции, достигает максимума на тех частотах, на которых находится максимум спектра воздействия или максимум собственных частот колебаний конструкции. Чтобы разделить эти максимумы, следует учесть, что на собственных частотах все точки конструкции вибрируют в фазе или противофазе. Поэтому при использовании нескольких точек измерения, в которых на исследуемой поверхности размещаются приемники вибрации, можно добиться разделения частот вынужденных и собственных колебаний. Различные транспортные средства возбуждают в пролетном строении различные частоты вынужденных колебаний. Поэтому при случайном характере движения транспортных средств по пролетному строению частоты вынужденных колебаний будут размещаться в виде шумовой дорожки на взаимном частотном спектре, а собственные частоты будут выделяться устойчивыми максимумами на фоне такой шумовой дорожки. Чем более насыщенным и случайным будет естественный транспортный поток, тем ярче будут выделяться максимумы частот собственных колебаний во взаимных частотных спектрах.

- В-третьих, после операции одновременной регистрации колебаний по нескольким точкам измерения определяются с использованием программных алгоритмов частотные и взаимные частотно-фазовые спектры колебаний пролетного строения. Минимальное число точек измерения для проведения анализа взаимных частотно-фазовых спектров не должно быть меньше двух. С увеличением числа точек измерения в n раз точность определения собственной частоты колебаний по максимуму во взаимном частотно-фазовом спектре возрастает в n раз. Частоту собственных колебаний определяют по максимумам просуммированного по всем точкам измерения взаимного частотно-фазового спектра. Затем из частотных спектров вычитают найденные таким образом собственные частоты, после чего по полученным частотным спектрам определяют вынужденные колебания, по которым судят о динамических коэффициентах.

На чертеже представлена блок-схема устройства, содержащего три приемных виброканалов и позволяющего реализовать предложенный способ испытания пролетного строения, где 1 - вибропреобразователи, 2 - интегрирующие усилители-фильтры верхних частот (ВЧ), 3 - коммутатор, 4 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП), 5 - электронно-вычислительная машина (ЭВМ), 6 - шина адресов, 7 - шина данных. В качестве вибропреобразователей (1) использованы совмещенные в одном корпусе низкочастотный пьезокристалл, подключаемый к фильтру нижних частот (НЧ) и преобразователю импеданса. Максимальная частота пропускания фильтра НЧ должна быть не менее максимальной в спектре ожидаемого колебательного процесса (обычно не выше 50 Гц). Фильтр НЧ подключается к преобразователю импеданса, позволяющему согласовать высокое выходное сопротивление пьезокристалла (от сотен МОм до нескольких ГОм) с низким входным сопротивлением соединительного кабеля. Такая конструкция позволяет избежать паразитных электромагнитных наводок в соединительном кабеле и снизить до минимума перегрузки по напряжению в последующих электронных цепях, поскольку динамический диапазон сигнала, снимаемого с пьезокристалла, высок и обусловлен свойством пьезокристалла регистрировать ускорение, а для анализа прогибограмм и виброграмм требуется анализ смещения (ускорение - вторая производная от смещения; например, для синусоидальных колебаний ускорение пропорционально произведению смещения на квадрат частоты колебаний). Вибропреобразователи (1) закрепляются в точках измерения на поверхности пролетного строения. Соединительным кабелем каждый вибропреобразователь (1) подключается к собственным последовательно включенным двум интегрирующим усилителям (2), реализующим процедуру двукратного интегрирования для получения зависимости выходного напряжения от смещения. Дополнительно усилители - интеграторы охвачены частотно-зависимой обратной связью для формирования нижней частоты рабочего диапазона регистрирующей аппаратуры (фильтр ВЧ). Нижняя частота выбирается исходя из требований по измерению динамического коэффициента с учетом минимальной скорости движения транспортных средств и длины пролетного строения (от нескольких Гц до десятых долей Гц). Сигналы с выходов усилителей-интеграторов (2) поступают на коммутатор (3), который позволяет организовать упорядоченный прием аналоговых сигналов по всем точкам измерения вибросигналов. Аналоговый сигнал с коммутатора (3) преобразуется АЦП (4) в цифровой код и подается в ЭВМ (5) по шине данных (7). Синхронизацией работы коммутатора (3) управляет ЭВМ (5) по шине адресов (6). В ЭВМ (6) с использованием программного обеспечения производится расчет трех частотных и трех взаимных частотно-фазовых спектров колебаний по всем трем точкам измерения. Далее в ЭВМ проводится расчет суммарного взаимного частотно-фазового спектра, по максимумам которого определяются частоты собственных колебаний. Найденные таким образом частоты собственных колебаний вычитают из частотных спектров, после чего из полученных частотных спектров определяются вынужденные колебания (их максимальные и средние значения), по которым судят о динамических коэффициентах при различных скоростях движения транспортных средств по пролетному строению.

Поскольку в качестве датчиков вибрационных колебаний используются низкочастотные пьезокристаллы, обладающие практически линейной частотной и фазовой характеристикой в рабочем диапазоне частот, то точность измерений значительно возрастает и ограничена лишь частотно-фазовыми предискажениями аналоговой части устройства, которые с высокой степенью точности могут быть измерены в камеральных условиях и учтены при цифровом анализе виброграмм.

Список источников информации: 1. Авторское свидетельство N 1769056, G 01 N 3/00, 10.12.90 2. Кириллов B.C. Эксплуатация и реконструкция мостов и труб на автомобильных дорогах. - М.: Транспорт, 1971, 196 с.

3. Долидзе Д.Е. Испытание конструкций и сооружений. - М.: Высшая школа, 1975, 252 с.

Формула изобретения

Способ вибрационных испытаний пролетных строений мостовых конструкций, заключающийся в том, что к пролетному строению прикладывают подвижную нагрузку, возбуждающую в нем вынужденные и собственные вертикальные колебания, и регистрируют их во времени, отличающийся тем, что в качестве подвижной нагрузки используют естественный транспортный поток, движущийся по пролетному строению, причем вертикальные колебания пролетного строения регистрируют одновременно в нескольких точках измерения, рассчитывают частотные и взаимные частотно-фазовые спектры колебаний по всем точкам измерения, частоту собственных колебаний определяют по максимума просуммированного по всем точкам измерения взаимного частотно-фазового спектра, из частотных спектров сначала вычитают найденные собственные частоты и затем определяют вынужденные колебания, по которым судят о динамических коэффициентах.

РИСУНКИ

Рисунок 1