Способ вибрационного контроля технического состояния пролетных строений мостовых конструкций

Изобретение относится к измерительной технике. Сущность: в нескольких контрольных точках измерения устанавливают измерительные вибродатчики. Определяют во времени параметры собственных и вынужденных вертикальных колебаний пролетного строения, вызванных движущимся по нему естественным транспортным потоком. Предварительно, задавая величину вертикального перемещения несущей балки в середине пролета, с помощью компьютера определяют соответствующую этому значению величину горизонтального перемещения торца несущей балки, соответственно верхней или нижней точки торца несущей балки в зависимости от местоположения измерительного вибродатчика, используя формулы. По полученной величине горизонтального перемещения верхней или нижней точек торца несущей балки, определяют значение коэффициента пересчета величины вертикального перемещения в середине несущей балки по формуле. Для контроля технического состояния пролетного строения используют параметры горизонтальных колебаний несущих балок, которые регистрируют во времени с помощью вибродатчиков, установленных горизонтально на торцевых поверхностях этих балок. О частоте вертикальных колебаний пролетного строения судят по частоте горизонтальных колебаний несущих балок, а амплитуды вертикальных колебаний в середине пролетного строения определяют по величине горизонтальных перемещений торцов несущих балок, используя при этом предварительно рассчитанный коэффициент пересчета. Технический результат: упрощение и повышение точности измерений. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для вибрационных испытаний пролетных строений (ПС) мостовых конструкций, преимущественно в тех случаях, когда традиционная установка измерительных вибродатчиков непосредственно на нижних поясах несущих балок ПС для регистрации вертикальных колебаний невозможна из-за конструктивных особенностей сооружения.

Известен способ динамических испытаний пролетных строений [Авторское свидетельство №1769056, G 01 N 3/00, опубл. 15.10.92. Бюл. №38], который заключается в том, что в середине ПС прикладывают нагрузку, возбуждающую в ПС колебания. Затем регистрируют частоту первой формы этих колебаний. Дополнительно прикладывают статическую нагрузку в середине ПС. Повторно возбуждают колебания в этом ПС и регистрируют изменившуюся частоту первой формы колебаний. После чего оценивают несущую способность ПС, которая зависит от массы ПС, критической частоты и измеренных частот первой формы собственных колебаний ПС, и прогнозируют прочность пролетного строения. Поскольку этот способ предполагает действие статической нагрузки в середине ПС, он неприемлем в условиях движущегося транспортного потока. К тому же определение параметров колебаний этим способом в условиях естественной эксплуатации ПС, т.е. при наличии транспортного потока, требует установки измерительных вибродатчиков на нижних горизонтальных поверхностях балок в середине ПС. В силу конструктивных особенностей мостового сооружения такая возможность имеется далеко не всегда (отсутствие подвесных подмостей, значительная высота сооружения, наличие водной поверхности под ПС и т.д.), а следовательно, использование данного способа невозможно.

Известен способ контроля технического состояния ПС [Патент на изобретение №2194978, 7 G 01 N 29/04, G 01 М 7/00, опубл. 20.12.2002. Бюл. №35], включающий воздействие на ПС динамической нагрузки с широким спектром частот, измерение при этом параметров механической вибрации с помощью акселерометров в контрольных точках ПС, которые выбирают на ПС попарно симметричными относительно продольной и поперечной осей симметрии ПС. В каждой контрольной точке закрепляют по три угловых акселерометра, причем измерительную ось одного из них ориентируют параллельно продольной оси ПС, другого - параллельно поперечной оси ПС, а третьего - перпендикулярно измерительным осям первого и второго. ПС подвергают воздействию симметричной относительно осей ПС динамической нагрузки, после чего получают параметры диагностического признака и определяют положение зоны аномального механического напряжения по изменению этого параметра на основе критерия.

Этот способ не предусматривает испытаний в условиях естественной эксплуатации ПС, т.е. при наличии транспортного потока. Это сказывается на точности и достоверности контроля технического состояния мостовых конструкций.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ вибрационных испытаний ПС мостовых конструкций [Патент на изобретение №2140626, 6 G 01 М 7/02, опубл. 27.10.99. Бюл. №30]. Он заключается в том, что к ПС моста прикладывают подвижную нагрузку в виде естественного транспортного потока, возбуждающую в ПС собственные и вынужденные колебания, регистрируют вертикальные колебания ПС одновременно в нескольких точках измерения, рассчитывают частотные и взаимные частотно-фазовые спектры колебаний по всем точкам измерения, частоту собственных колебаний определяют по максимуму просуммированного по всем точкам измерения взаимного частотно-фазового спектра, из частотных спектров сначала вычитают найденные собственные частоты и затем определяют частоты вынужденных колебаний.

Поскольку данный способ выполняется без остановки естественного транспортного потока, он учитывает его случайный характер. Поэтому, используя для регистрации вертикальных колебаний одновременно несколько точек измерения при естественных условиях эксплуатации, рассчитывая частотные и взаимные частотно-фазовые спектры колебаний по всем этим точкам измерения, можно добиться этим известным способом высокой точности измерения динамических характеристик колебательного процесса.

Для реализации этого известного способа используются вибродиагностические приборы и комплексы. Измерительные вибродатчики устанавливают на нижнем поясе несущих балок, например, в середине ПС, где амплитуда вибраций для нечетных гармоник колебаний максимальна, или в четверти ПС, где амплитуда вибрации максимальна для четных гармоник колебаний.

Определение параметров колебаний ПС этим способом в условиях движения естественного транспортного потока требует установки измерительных вибродатчиков на нижних горизонтальных поверхностях несущих балок ПС.

Возможность установки измерительных вибродатчиков в требуемые точки на нижних горизонтальных поверхностях несущих балок ПС имеется далеко не всегда, вследствие отсутствия безопасных подходов или конструктивных особенностей моста. Это усложняет проведение вибрационных испытаний ПС мостовых конструкций.

Задача изобретения сводится к тому, чтобы более простым и доступным в реализации способом и одновременно с высокой точностью оценить техническое состояние ПС мостовых конструкций в условиях его естественной эксплуатации. Путь решения этой задачи направлен на регистрацию горизонтальных перемещений несущих балок ПС для оценки колебательного процесса и технического состояния ПС.

Технический результат, на достижение которого направленно предлагаемое изобретение, заключается в получении параметров колебательного процесса по всем гармоникам за счет "укорочения-удлинения" соответственно верхнего и нижнего поясов несущих балок при их изгибных колебаниях под действием движущегося естественного транспортного потока.

Задача решена следующим образом. Общим с прототипом является то, что в нескольких контрольных точках измерения устанавливают измерительные вибродатчики, определяют во времени параметры собственных и вынужденных вертикальных колебаний ПС, вызванных движущимся по нему естественным транспортным потоком.

Но в отличие от известного способа, согласно заявляемому способу, предварительно, задавая величину вертикального перемещения несущей балки (прогиб) Pr в середине пролета, с помощью компьютера определяют соответствующее этому значению величину горизонтального перемещения торца несущей балки S_1,2, соответственно верхней или нижней точки торца несущей балки в зависимости от местоположения измерительного вибродатчика, используя формулы:

S_1,2=U_1,2/2,

где S₁ - горизонтальное перемещение верхней точки торца несущей балки;

S₂ - горизонтальное перемещение нижней точки торца несущей балки;

U₁ - горизонтальное перемещение верхних точек торцов несущей балки;

U₂ -горизонтальное перемещение нижних точек торцов несущей балки.

Величины горизонтальных перемещений крайних точек U_1,2 торцов несущей балки при вертикальном перемещении определяют как:

U₁=U₀+2·B·sinα,

U₂=U₀-2·B·sinα,

где U₁ - горизонтальное перемещение верхних точек торцов несущей балки;

U₂ - горизонтальное перемещение нижних точек торцов несущей балки;

U₀ - горизонтальное перемещение осевых точек на торцах несущей балки;

В - ширина несущей балки;

α - радианная мера дуги, образованной вертикальным перемещением несущей балки.

При этом горизонтальное перемещение осевых точек U₀ на торцах несущей балки при вертикальном перемещении равно:

U₀=2·Pr·(α-sinα)/(1-cos α),

где U₀ - горизонтальное перемещение осевых точек на торцах несущей балки;

Pr - вертикальное перемещение (прогиб) несущей балки в середине пролета;

α - радианная мера дуги, образованной вертикальным перемещением несущей балки.

Значение радианной меры дуги α, образованной вертикальным перемещением несущей балки, определяют по следующей формуле

α=4Pr/L_p,

где α - радианная мера дуги, образованной вертикальным перемещением несущей балки;

Pr - вертикальное перемещение (прогиб) несущей балки в середине пролета;

L - расчетный пролет несущей балки.

Затем согласно изобретению и в отличие от прототипа определяют значение коэффициента пересчета К величины вертикального перемещения в середине несущей балки по величине горизонтального перемещения S_1,2 торца несущей балки с учетом расположения измерительного вибродатчика по высоте торца несущей балки по формуле:

K=Pr/S_1,2

где Pr - вертикальное перемещение (прогиб) несущей балки в середине пролета;

S₁ - горизонтальное перемещение верхней точки торца несущей балки;

S₂ - горизонтальное перемещение нижней точки торца несущей балки.

Отличием является также то, что для контроля технического состояния пролетного строения используют параметры горизонтальных колебаний несущих балок, которые регистрируют во времени с помощью измерительных вибродатчиков, установленных горизонтально на торцевых поверхностях этих балок, причем о частоте вертикальных колебаний пролетного строения судят по частоте горизонтальных колебаний несущих балок, а амплитуды вертикальных колебаний в середине пролетного строения определяют по величине горизонтальных перемещений торцов несущих балок, используя при этом предварительно рассчитанный коэффициент пересчета К.

Кроме этого отличием от прототипа является то, что измерительные вибродатчики устанавливают на двух противоположных торцевых плоскостях несущих балок в одной горизонтальной плоскости симметрично относительно поперечной оси ПС мостовой конструкции, а также то, что по величине горизонтальных перемещений торцов несущих балок судят о степени условной зажатости ПС, а параметры собственных и вынужденных колебаний определяют по горизонтальным колебаниям торцевых поверхностей незажатого конца ПС. Установка измерительных вибродатчиков на обоих торцах несущих балок повышает точность испытаний и дает возможность выявить зажатый торец несущей балки.

По предлагаемому способу имеется возможность проводить испытания мостовых конструкций при установке измерительных вибродатчиков на торцевых плоскостях несущих балок ПС. Торцевые участки несущих балок практически всегда доступны для закрепления измерительных вибродатчиков, поскольку находятся на опорах моста.

На любые вертикальные колебания ПС всех гармоник происходит отклик торцов несущей балки в виде их горизонтальных и вертикальных перемещений, вследствие изгиба несущей балки. Поэтому размещение измерительных вибродатчиков на торцах несущей балки ПС позволяет провести исследование колебательного процесса сразу по всем гармоникам вертикальных колебаний, за счет «укорочения-удлинения» верхнего и нижнего поясов несущей балки при ее изгибных колебаниях. Кроме того, предложенный способ позволяет выявить условно зажатый торец несущей балки, что также сказывается на точной оценке технического состояния ПС.

Экспериментально было установлено, что горизонтальные и вертикальные колебания несущей балки идентичны по форме. Поэтому частоты горизонтальных колебаний идентичны частотам вертикальных колебаний ПС, а для определения амплитуд вертикальных колебаний авторы и заявитель исходили из нижеследующего.

Известно (Тимошенко С.П. Механика материалов. - М.: Изд-во Мир, 1976. - с.296-298), что горизонтальное перемещение S на торцах несущей балки определяются путем интегрирования линии вертикального перемещения w(x) по длине несущей балки L:

где S - горизонтальное перемещение на торцах несущей балки;

w - вертикальное перемещение (прогиб) по длине несущей балки;

L - длина несущей балки.

Поскольку вертикальные перемещения реальных ПС ничтожно малы по сравнению с их длиной, то линию вертикального перемещения с высокой степенью достоверности можно аппроксимировать параболой или даже дугой окружности.

Допустим, несущая балка имеет ширину В, расчетный пролет L и свободно опирается на опорные части без какого-либо защемления. Расчетный пролет L несущей балки тогда равен:

L_p=2·α·R,

где L_p - расчетный пролет несущей балки;

α - радианная мера дуги, образованной вертикальным перемещением несущей балки;

R - радиус вертикального перемещения несущей балки.

При этом величина вертикального перемещения (прогиба) несущей балки Pr в середине пролета определится как:

Pr=R·(1-cosα)=L_p·α/4,

где Pr - вертикальное перемещение (прогиб) несущей балки в середине пролета;

R - радиус вертикального перемещения несущей балки;

α - радианная мера дуги, образованной вертикальным перемещением несущей балки;

L_p - расчетный пролет несущей балки.

Тогда горизонтальное перемещение осевых точек U₀ на торцах несущей балки при вертикальном перемещении равно:

U₀=2·Pr·(α-sinα)/(1-cosα),

где U₀ - горизонтальное перемещение осевых точек на торцах несущей балки;

Pr - вертикальное перемещение (прогиб) несущей балки в середине пролета;

α - радианная мера дуги, образованной вертикальным перемещением несущей балки.

Величины горизонтальных перемещений крайних точек U_1,2 торцов несущей балки при вертикальном перемещении определяются как:

U₁=U₀+2·B·sinα,

U₂=U₀-2·В·sin α,

где U₁ - горизонтальное перемещение верхних точек торцов несущей балки;

U₂ - горизонтальное перемещение нижних точек торцов несущей балки;

U₀ - горизонтальное перемещение осевых точек на торцах несущей балки;

В - ширина несущей балки;

α - радианная мера дуги, образованной вертикальным перемещением несущей балки.

Горизонтальные перемещения верхней или нижней точек S_1,2 торца несущей балки, считая, что оба торца смещаются абсолютно симметрично относительно середины пролета несущей балки, равно:

S_1,2=U_1,2/2,

где S₁ - горизонтальное перемещение верхней точки торца несущей балки;

S₂ - горизонтальное перемещение нижней точки торца несущей балки;

U₁ - горизонтальное перемещение верхних точек торцов несущей балки;

U₂ - горизонтальное перемещение нижних точек торцов несущей балки.

Таким образом, для ПС мостов коэффициент, пересчета К величины вертикального перемещения в середине несущей балки по измерениям горизонтального перемещения S_1,2 торца несущей балки с учетом расположения измерительного вибродатчика по высоте торца несущей балки составляет:

K=Pr/S_1,2

где Pr - вертикальное перемещение (прогиб) несущей балки в середине пролета;

S₁ - горизонтальное перемещение верхней точки торца несущей балки;

S₂ - горизонтальное перемещение нижней точки торца несущей балки.

Например, для несущей балки с расчетной длиной пролета L_P=42,0 м и шириной В=1,25 м при заданной величине вертикального перемещения (прогиба) в середине пролета Pr=0,01 м следует, что горизонтальное перемещение осевых точек на торцах несущей балки равно: U₀=0,00000635 м.

Величина горизонтального перемещения верхней точки торца несущей балки составила S₁=0,0012 м, а величина горизонтального перемещения нижней точки торца несущей балки равна S₂=-0,0012 м (знак минус означает движение нижней точки торца в направлении от центра несущей балки), считая, что оба торца смещаются абсолютно симметрично относительно середины пролета несущей балки.

Таким образом, для ПС мостов с расчетной длиной пролета 42,0 м коэффициент пересчета величины вертикального перемещения в середине пролета несущей балки по измерениям горизонтального перемещения торца несущей балки составляет: K=Pr/S_1,2=8,4.

Как видно из примера, величины горизонтальных перемещений верхних и нижних точек торца несущей балки равны, следовательно, измерительный вибродатчик можно устанавливать в наиболее доступной верхней или нижней части торца несущей балки, что также упрощает способ оценки технического состояния пролетного строения.

Из уровня техники не выявлены способы вибрационных испытаний пролетных строений мостовых конструкций в условиях естественного транспортного потока по горизонтальным колебаниям торцов несущих балок, что позволяет судить о наличии изобретательного уровня у заявляемого технического решения.

На чертеже представлена блок-схема двухканального устройства, которое позволяет реализовать предложенный способ контроля ПС. Устройство содержит измерительные вибродатчики 1, 2, с которыми соединены соответствующие интегрирующие усилители-фильтры 3, 4. Интегрирующие усилители-фильтры 3, 4 через коммутатор 5 подключены к аналого-цифровому преобразователю (АЦП) 6. АЦП 6 через шину данных 7 соединен с персональной электронно-вычислительной машиной (ПЭВМ) 8. ПЭВМ 8 соединена через шину адресов 9 с коммутатором 5.

В качестве каждого измерительного вибродатчика 1, 2 использован совмещенный в одном корпусе низкочастотный пъезокристалл, подключаемый к фильтру верхних частот (ВЧ) и преобразователю импеданса. Максимальная частота пропускания фильтра ВЧ должна быть не менее максимальной в спектре ожидаемого колебательного процесса (обычно не выше 50 Гц). Фильтр ВЧ подключается к преобразователю импеданса, позволяющему согласовать высокое выходное сопротивление пъезокристалла (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 пъезокристалла, высок и обусловлен свойством пъезокристалла регистрировать ускорение, а для анализа прогибовиброграмм требуется анализ перемещения (ускорение - вторая производная от перемещения; например, для синусоидальных колебаний ускорение пропорционально произведению перемещения на квадрат частоты колебаний).

Способ реализуется следующим образом: измерительные вибродатчики 1, 2 закрепляются на торцевых плоскостях несущей балки ПС в противоположных попарно симметричных точках. Соединительным кабелем каждый измерительный вибродатчик 1, 2 подключается к собственному интегрирующему усилителю-фильтру 3, 4, реализующему процедуру двукратного интегрирования для получения зависимости выходного напряжения от перемещения. Дополнительно интегрирующие усилители-фильтры 3, 4 охвачены частотно-зависимой обратной связью для формирования нижней частоты рабочего диапазона регистрирующей аппаратуры (фильтр НЧ). Выбор нижнего среза частот зависит от длины ПС и минимальной скорости движения транспортных средств в условиях реальной эксплуатации (от нескольких Гц до десятых долей Гц). Сигналы с выходов интегрирующих усилителей-фильтров 3, 4 поступают на коммутатор 5, который позволяет организовать упорядоченный прием аналоговых сигналов по двум точкам измерения вибросигналов. Аналоговый сигнал с коммутатора 5 преобразуется АЦП 6 в цифровой код и подается в ПЭВМ 8 по шине данных 7. Синхронизацией работы коммутатора 5 управляет ПЭВМ 8 по шине адресов 9. В ПЭВМ 8 с использованием программного обеспечения производится расчет и вывод на экран значений частот и амплитуд зарегистрируемых собственных и вынужденных вертикальных колебаний ПС мостовой конструкции. Предварительно в программное обеспечение необходимо ввести значение коэффициента пересчета величины вертикального перемещения в середине несущей балки по измерениям горизонтального перемещения торцов несущей балки К с учетом расположения измерительных вибродатчиков 1, 2 по высоте торцов несущей балки и особенностей конструкции ПС.

1. Способ вибрационного контроля технического состояния пролетных строений мостовых конструкций, заключающийся в том, что в нескольких контрольных точках измерения устанавливают измерительные вибродатчики, определяют во времени параметры собственных и вынужденных вертикальных колебаний пролетного строения, вызванных движущимся по нему естественным транспортным потоком, отличающийся тем, что предварительно, задавая величину вертикального перемещения несущей балки Pr в середине пролета, с помощью компьютера определяют соответствующее этому значению величину горизонтального перемещения торца несущей балки S_1,2, соответственно верхней или нижней точки торца несущей балки в зависимости от местоположения измерительного вибродатчика, используя формулы

S_1,2=U_1,2/2,

где S₁ - горизонтальное перемещение верхней точки торца несущей балки;

S₂ - горизонтальное перемещение нижней точки торца несущей балки;

U₁ - горизонтальное перемещение верхних точек торцов несущей балки;

U₂ - горизонтальное перемещение нижних точек торцов несущей балки, при этом величины горизонтальных перемещений крайних точек U_1,2 торцов несущей балки при вертикальном перемещении определяют, как

U₁=U₀+2·B·sinα, U₂=U₀-2·B·sinα,

где U₁ - горизонтальное перемещение верхних точек торцов несущей балки;

U₂ - горизонтальное перемещение нижних точек торцов несущей балки;

U₀ - горизонтальное перемещение осевых точек на торцах несущей балки;

В - ширина несущей балки;

α - радианная мера дуги, образованной вертикальным перемещением несущей балки,

горизонтальное перемещение осевых точек U₀ на торцах несущей балки при вертикальном перемещении равно

U₀=2·Pr·(α-sinα)/(1-cosα),

где U₀ - горизонтальное перемещение осевых точек на торцах несущей балки;

Pr - вертикальное перемещение несущей балки в середине пролета;

α - радианная мера дуги, образованной вертикальным перемещением несущей балки, значение которой определяют по формуле

α=4Pr/L_p,

где α - радианная мера дуги, образованной вертикальным перемещением несущей балки;

Pr - вертикальное перемещение несущей балки в середине пролета;

L_p - расчетный пролет несущей балки,

затем по полученной величине горизонтального перемещения или верхней S₁, или нижней S₂ точек торца несущей балки в зависимости от расположения измерительного вибродатчика определяют значение коэффициента пересчета К величины вертикального перемещения в середине несущей балки по формуле

K=Pr/S_1,2,

где Pr - вертикальное перемещение несущей балки в середине пролета;

S₁ - горизонтальное перемещение верхней точки торца несущей балки;

S₂ - горизонтальное перемещение нижней точки торца несущей балки,

а для контроля технического состояния пролетного строения используют параметры горизонтальных колебаний несущих балок, которые регистрируют во времени с помощью измерительных вибродатчиков, установленных горизонтально на торцевых поверхностях этих балок, причем о частоте вертикальных колебаний пролетного строения судят по частоте горизонтальных колебаний несущих балок, а амплитуды вертикальных колебаний в середине пролетного строения определяют по величине горизонтальных перемещений торцов несущих балок, используя при этом предварительно рассчитанный коэффициент пересчета К.

2. Способ вибрационного контроля технического состояния пролетных строений мостовых конструкций по п.1, отличающийся тем, что измерительные вибродатчики устанавливают на двух противоположных торцевых плоскостях несущих балок в одной горизонтальной плоскости симметрично относительно поперечной оси пролетного строения мостовой конструкции.

3. Способ вибрационного контроля технического состояния пролетных строений мостовых конструкций по п.2, отличающийся тем, что по величине горизонтальных перемещений торцов несущих балок судят о степени условной зажатости пролетного строения, а параметры собственных и вынужденных колебаний определяют по горизонтальным колебаниям торцевых поверхностей незажатого конца пролетного строения.