Способ определения динамических характеристик деформаций колеблющихся сооружений

 

Изобретение относится к способам натуральных геодезических оптических измерений деформации гибких колеблющихся сооружений и служит для определения их динамических характеристик, характеризующих колебательные процессы в целом. В способе инструментальные оптические наблюдения выполняют от пунктов геодезической основы, закрепляющей на местности положения основных осей сооружения. Новым является то, что после вычисления амплитуд отклонений и длин продольных волн колебаний осей определяют фазы колебаний осей сооружения, а по их разности и по составляющим амплитудам, зафиксированным от разных пунктов геодезической основы, определяют результирующую амплитуду отклонений осей и фазу ее изменений с учетом резонансных частот колебаний всего сооружения или тех его частей, наблюдение за которыми осуществляют. Технический результат изобретения состоит в обеспечении возможности определения фазы колебаний и амплитуды отклонений осей сооружения.

Изобретение относится к способам натуральных геодезических оптических измерений деформации гибких колеблющихся сооружений и служит для определения их динамических характеристик, характеризующих колебательные процессы в целом. К сооружениям данного типа относятся, например, телевизионные мачты, трубы, башни, т.е. объекты, колебания которых обусловлены действием ветровой нагрузки. Особенно значительны они бывают при порывах ветра, частота колебаний которых близка к резонансовой частоте колебаний самого сооружения или его частей (секций).

Известен способ определения динамических характеристик деформации колеблющихся сооружений, по которому с пунктов геодезического основания выполняют наблюдения, состоящие в измерении горизонтальных углов β_н на центр основания сооружения внизу и углов β_в на центр сооружения на нужном горизонте и последующие вычисления по способу прямой угловой засечки координат этих центров или величин отклонений (Левчук С. П., Новак В.Е., Копусов В.Г., Прикладная геодезия: Основные методы и принципы инженерно-геодезических работ. - М.: Недра, 1981, с.413).

Недостатком аналога является не учет колебательного характера отклонений в самой методике измерений и анализе их результатов.

Известен способ измерения деформаций колеблющихся сооружений, который взят в качестве прототипа (патент РФ 2042107, МПК6 G 01 B 11/03, опубл. 20.08.95 г. ). Способ заключается в том, что наблюдения выполняют с четырех пунктов геодезического основания. При этом расстояния с противоположных пунктов до наблюдаемых точек устанавливают попарно равными. Измерение горизонтальных углов на центр основания внизу и на нужном горизонте, а также длин волн колебаний осей сооружений выполняют одновременно с разных пунктов. Причем анализ отклонений из разных циклов измерений выполняют после отнесения их к одним и тем же точкам (минимума и максимума) стоячих волн колебаний осей.

Основным недостатком данного способа является невозможность определения обобщенных динамических характеристик, а именно амплитуды и фаз отклонений по результатам непосредственных натурных геодезических измерений колебаний реальных объектов.

Значения этих амплитуд позволяют вычислить их относительные величины, отнесенные к высоте сооружения. Это в свою очередь позволяет сравнить их с допустимыми значениями, задаваемыми нормативными документами.

Задачей настоящего изобретения является обеспечение возможности определения, путем натурных инструментальных геодезических оптических наблюдений за колебаниями сооружений, динамических характеристик деформаций последних.

Техническим результатом, достигаемым в результате решения поставленной задачи, является обеспечение возможности определения фазы колебаний и амплитуды отклонений осей сооружения.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе определения динамических характеристик гибких сооружений, при котором инструментальные оптические наблюдения выполняют от пунктов геодезической основы, закрепляющей на местности положения основных осей сооружения, путем измерения горизонтальных и вертикальных углов на нескольких уровнях с последующим вычислением амплитуд отклонений и длин продольных волн колебаний сооружения, после вычисления амплитуд отклонений и длин продольных волн колебаний осей, определяют фазы колебаний осей сооружения, а по их разности и составляющим амплитудам, зафиксированным от разных пунктов геодезической основы определяют результирующую амплитуду отклонений осей и фазу ее изменений с учетом резонансных частот колебаний всего сооружения или тех его частей, наблюдение за которыми осуществляют.

Оптические изменения выполняют с помощью теодолитов, центрируемых над пунктами геодезической основы. Измеряют λ_i - длины волн колебаний осей сооружения, а так же их A_i - амплитуды отклонений от исходного положения, зафиксированного в безветренную погоду при отсутствии колебаний. Длины продольных волн определяют, в каждом из циклов наблюдений, путем изменения вертикальных углов ν_i на точки сооружения колеблющихся с одинаковой фазой. Они в целом задают общие формы колебаний сооружения и могут быть вычислены по формуле: λ_i = Sn(tgν₂-tgν₁), (1) где i - циклы наблюдений (целые числа), S_n - расстояния на местности от пунктов геодезической основы до основания сооружения, ν₁ и ν₂ углы наклона, соответствующие нижней и верхней точке измеряемых длин волн.

По вычисленным длинам волн λ определяют фазы колебаний из следующего выражения [2]: ϕ₁ = 2πr₁/λ₁ (2) где ϕ₁ - фаза колебаний, определенная от первой точки геодезической основы, a r₁ - среднее из горизонтальных расстояний от первой точки основы до проекций точек визирования на горизонтальной плоскости т.е. от точек начала и конца λ_i. Со всех точек основы одновременно выполняют те же измерения углов наклона и горизонтальных углов для вычисления длин волн λ_i и амплитуд A_i отклонений, но в проекциях на другие направления. И так в каждом из циклов наблюдений. Для этого по методу угловых засечек, с помощью теодолитов фиксируют положение центра вертикальной оси сооружения внизу (как можно ниже к основанию) и то же по всей высоте. Вначале эту операцию выполняют в безветренную погоду, а затем - при больших ветровых нагрузках и значительных колебаниях сооружения. Амплитуды A_i могут быть вычислены через измеренные угловые отклонения Δψʺ из следующего выражения: где S_n - горизонтальные расстояния от n-ой точки геодезической основы до основания сооружения; Δψʺ - максимальные изменения горизонтальных углов, в секундах, при колебаниях сооружения;
ρ радиан в угловых секундах.

Определив значения составляющих амплитуд A_i и их фаз ϕ_i, по формулам (2) (3), нужно вычислить результизирующую амплитуду A и фазу ϕ ее изменений.

где A₁ и A₂ - измеренные от точек 1 и 2 основы амплитуды колебаний, а ϕ₁,ϕ₂ - их фазы, вычисленные по формуле (2).

Это позволяет определить обобщенную динамическую характеристику колебаний сооружения x, отражающих колебательный процесс в целом

где ω - резонансная частота колебаний сооружения, а t - среднее время одного отклонения при движении визирной цели в одном направлении, равное одному полупериоду колебаний.

Величина x позволяет вычислить значения относительных деформаций, соотнеся ее с высотой сооружения. Допуски относительных деформаций задаются нормативными документами по каждому типу сооружений.

Формула изобретения

Способ определения динамических характеристик деформаций колеблющихся сооружений, при котором инструментальные оптические наблюдения выполняют от пунктов геодезической основы, закрепляющей на местности положения основных осей сооружения, путем измерения горизонтальных и вертикальных углов на нескольких уровнях с последующим вычислением амплитуд отклонений и длин продольных волн колебания сооружения, отличающийся тем, что после вычисления амплитуд отклонений и длин продольных волн колебаний осей определяют фазы колебаний осей сооружения, а по их разности и по составляющим амплитудам, зафиксированным от разных пунктов геодезической основы, определяют результирующую амплитуду отклонений осей и фазу ее изменений с учетом резонансных частот колебаний всего сооружения или тех его частей, наблюдение за которыми осуществляют.