Способ мониторинга технического состояния пролетного строения моста

Изобретение относится к области неразрушающего контроля и предназначено для мониторинга технического состояния и диагностики пролетных строений мостовых переходов. Способ реализуется посредством осуществления периодического или непрерывного мониторинга технического состояния пролетного строения моста, включающего опрос установленного на конструкциях сооружения измерительного оборудования, преобразование полученной информации и ее передачу в диспетчерский пункт, где происходит автоматизированная оценка технического состояния сооружения, определяемого по результатам сравнения измеренных параметров с заранее вычисленными и введенными в память системы сигнальными уровнями, а также по изменению во времени контрольных инвариантных параметров: отношение напряжений в верхних поясах к напряжениям в нижних поясах; отношение напряжений в однотипных симметричных элементах пролетного строения; отношение выкатки опорных частей к температуре металлоконструкций пролетного строения; отношение перемещений симметричных узлов левой и правой ферм. Технический результат заключается в повышении достоверности и точности определения технического состояния искусственного сооружения по результатам мониторинга. 7 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к области неразрушающего контроля и предназначено для мониторинга технического состояния и диагностики пролетных строений мостовых переходов.

От состояния мостовых переходов в значительной степени зависит безопасность движения и бесперебойность работы транспорта. Поэтому в условиях увеличения веса и интенсивности грузоперевозок возникает необходимость создания новых и усовершенствования существующих систем автоматизированного мониторинга мостов для повышения объективности оценки технического состояния и оперативности принятия решений в случае возникновения внештатных и аварийных ситуаций.

Наличие системы мониторинга подразумевает недопущение перехода сооружения в аварийное техническое состояние, характеризуемое исчерпанием несущей способности элементов конструкции. Наличие системы мониторинга является инструментом для принятия решений о превентивных мерах.

Известен способ мониторинга технического состояния строительных объектов [см. патент РФ №2650050, МПК G01M 7/00, опубл. 06.04.2018, Бюл. №10], включающий выбор контролируемых элементов (конструкций) строительного объекта, по состоянию которых судят о состоянии строительного объекта, регистрацию значений измеренных параметров, характеризующих состояние выбранных контролируемых элементов, вычисление текущих значений контролируемых параметров по результатам мягких измерений, определение состояний контролируемых параметров по результатам сравнения вычисленных значений с пороговыми значениями контролируемых параметров, идентификацию состояния контролируемых элементов и/или строительного объекта в целом на основании выбора худшего состояния соответствующих контролируемых параметров, отображение в наглядной форме мониторинговой информации и результатов оценки отдельных контролируемых элементов и/или строительного объекта в целом.

Недостатком указанного технического решения является низкая точность диагностирования технического состояния для искусственного сооружения, связанная с тем, что контролируемыми параметрами являются только факторы, напрямую зависящие от уровня воздействия временных нагрузок на объект: напряжения, перемещения, углы поворота. Непостоянность уровня воздействия временных нагрузок усложняет процесс оценки технического состояния сооружения. Состояние сооружения в таком случае оценивается лишь путем сравнения контрольных параметров с заранее определенными критическими сигнальными уровнями, что не позволяет отследить появление повреждений и дефектов на ранней стадии их развития при низких уровнях воздействия нагрузок.

Наиболее близким техническим решением является способ контроля состояния конструкции инженерно-строительного сооружения [см. патент РФ №2697916, МПК G01B 7/16, G01M 7/00, опубл. 21.08.2019, Бюл. №24], согласно которому в местах диагностирования контролируемой конструкции размещают датчики, осуществляют опрос датчиков, преобразуют полученную от датчиков информацию и передают ее на пункт контроля, выполненный в виде компьютера с программным обеспечением, где осуществляют регистрацию и сравнение полученной информации с заранее введенными в память компьютера фиксированными величинами, причем, датчики выполняют с возможностью получения от них информации об их пространственном положении, в пункте контроля формируют условное изображение контролируемой конструкции и фиксируют изменения пространственного положения датчиков, по которым определяют и регистрируют отклонения пространственного положения контролируемой конструкции или ее частей, а по результатам сравнения этих отклонений с заранее введенными в память компьютера фиксированными величинами, соответствующими их допустимым значениям, судят о состоянии контролируемой конструкции, при этом каждый из датчиков, которые размещают в местах диагностирования контролируемой конструкции, выполняют в виде трехосного гироскопа и трехосного акселерометра, расположенных на горизонтальной платформе, которую периодически поворачивают на угол 180°.

Однако известное решение не позволяет обеспечить комплексный мониторинг искусственного сооружения, а именно не контролируются и не оцениваются изменения напряжений в элементах конструкции и влияние температуры конструкций на напряженно-деформированное состояние сооружения. Также в данном способе контролируемым параметром является только фактор, напрямую зависящий от уровня воздействия временных нагрузок - отклонение пространственного положения.

Технической задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является повышение достоверности и точности определения технического состояния искусственного сооружения по результатам мониторинга.

Заявленный способ мониторинга технического состояния пролетного строения моста, заключается в том, что в местах диагностирования контролируемой конструкции размещают датчики, осуществляют опрос датчиков, преобразуют полученную от датчиков информацию и передают ее на пункт контроля, выполненный в виде компьютера с программным обеспечением, где осуществляют регистрацию и сравнение полученной информации с заранее введенными в память компьютера вычисленными сигнальными уровнями, в пункте контроля формируют условное изображение контролируемой конструкции с отображением в наглядной форме мониторинговой информации и результатов оценки контролируемых элементов, предварительно создается конечно-элементная модель объекта и осуществляются расчетные исследования сооружения без повреждений и при наличии повреждений различных видов, определяются напряжения и перемещения в узлах конструкции для каждого расчета, по результатам которых в качестве контролируемых элементов сооружения определяются точки с наибольшим показателем отклика на воздействие подвижной нагрузки и развитие повреждений в других элементах, а также точки с наименьшим запасом несущей способности при максимальном загружении, причем отклик на повреждения вычисляется по формуле:

где σ₁ - напряжения от постоянной и временной нагрузки в элементе в исходном состоянии, МПа;

σ₂ - напряжения от постоянной и временной нагрузки в элементе при наличии повреждения конструкции, МПа;

R - расчетное сопротивление материала, Мпа;

величина запаса до достижения элементом предельного состояния определяется по формуле:

а затем на основе измеренных параметров вычисляются значения инвариантных параметров: отношение напряжений в верхних поясах к напряжениям в нижних поясах; отношение напряжений в однотипных симметричных элементах пролетного строения; отношение выкатки опорных частей к температуре металлоконструкций сооружения; отношение перемещений симметричных узлов левой и правой фермы и среднее арифметическое каждого инвариантного параметра в совокупности с историческими данными, по изменению во времени которых судят о состоянии контролируемой конструкции.

На приведенных чертежах на фиг. 1 - объект мониторинга, на фиг. 2 - общий вид конечно-элементной модели объекта мониторинга, на фиг. 3 - схема контрольных узлов системы мониторинга, на фиг. 4 - расположение датчиков в контрольных пунктах системы мониторинга: 4 а - в элементах главных ферм, 4 б - в поперечной балке в узле №8, 4 в - в продольных балках 7-8, 4 г - в поперечной балке в узле №0, на фиг. 5 - структура и связи оборудования системы мониторинга, на фиг. 6 - график измеренного параметра (напряжения в элементе правой фермы нижний пояс) с фиксацией перехода сооружения в работоспособное состояние по результатам сравнения значений измеренного параметра с сигнальными уровнями, на фиг. 7 - график инвариантного параметра (отношение напряжений в элементе верхнего пояса фермы к напряжениям в элементе нижнего пояса) с фиксацией возникновения и развития дефектов по инвариантному параметру.

Условные обозначения:

- контроль напряжений;

- контроль выкатки опорных частей (ОЧ);

- контроль глобальных перемещений;

- контроль температуры пролетного строения;

σ_вп - напряжения в элементе правой фермы верхний пояс 7'-8';

σ_нп - напряжения в элементе правой фермы нижний пояс 7'-8'.

Система мониторинга технического состояния состоит из тензометров 1, датчиков перемещения 2 и датчиков температуры 3, связанных с АЦП 4, 5, 6, а также системы ГНСС 7, которые взаимодействуют с блоком синхронного сбора и обработки данных 8, подключенному к серверному оборудованию 9, передающему данные в административную систему диспетчерского пункта 10.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом.

Создается конечно-элементная модель пролетного строения и осуществляются расчетные исследования сооружения. Для математического моделирования объекта используют программные пакеты конечно-элементного анализа (Midas Civil, ANSYS, NASTRAN, MicroFe, ЛИРА, SCAD, МОНОМАХ, и др.). Геометрические характеристики элементов и характеристики материалов принимаются по данным проектной документации и/или по результатам предварительно проведенных обследований. Далее производят расчеты пролетного строения без повреждений и расчеты пролетного строения при наличии повреждений различных видов, определяются напряжения и перемещения в узлах конструкции для каждого расчета. По результатам расчетных исследований определяются ожидаемые и критические значения контролируемых параметров (сигнальные уровни) и контрольные узлы пролетного строения, которые являются особо важными для безопасности сооружения и наиболее информативными для мониторинга технического состояния - точки с наибольшим показателем отклика на воздействие подвижной нагрузки и развитие повреждений в других элементах, а также точки с наименьшим запасом несущей способности при максимальном загружении.

Отклик элемента на повреждения вычисляется по формуле:

где σ₁ - напряжения от постоянной и временной нагрузки в элементе в исходном состоянии, МПа;

σ₂ - напряжения от постоянной и временной нагрузки в элементе при наличии повреждения конструкции, МПа;

R - расчетное сопротивление материала, МПа.

Величина запаса до достижения элементом предельного состояния определяется по формуле:

Затем на объекте мониторинга устанавливают оборудование автоматизированной системы мониторинга: датчики измерения температуры; датчики перемещения и/или геодезическое оборудование для измерения пространственных параметров и/или навигационное оборудование ГНСС для определения координат узлов объекта; оборудование, осуществляющее преобразование, хранение измерений в цифровом виде; оборудование, осуществляющее хранение, анализ и демонстрацию измеренных и вычисленных параметров.

На основе измеренных датчиками параметров строятся графики показаний датчиков и вычисляются значения инвариантных параметров: отношение напряжений в верхних поясах к напряжениям в нижних поясах; отношение напряжений в однотипных симметричных элементах пролетного строения; отношение выкатки опорных частей к температуре металлоконструкций пролетного строения; отношение перемещений симметричных узлов левой и правой фермы) - и среднее арифметическое каждого инвариантного параметра в совокупности с историческими данными.

По полученным значениям инвариантных параметров строятся графики, позволяющие оценивать изменения этих параметров во времени, выполняется сравнение полученных параметров с историческими данными, производится демонстрация этих графиков и результатов оценки технического состояния на мониторах диспетчерского пункта. При необходимости оповещается группа ответственных лиц о возникновении существенного повреждения. Изменение значений инвариантного параметра на более чем 5% по сравнению со средним значением вычисленных ранее параметров является индикатором ухудшения технического состояния объекта, появления и развития дефектов и повреждений в конструкциях. Дополнительно техническое состояние объекта определяется по результатам сравнения измеренных параметров с заранее вычисленными и введенными в память системы сигнальными уровнями («предупреждение» и «тревога»). Принадлежность показаний измерительного оборудования одному из диапазонов определяется по таблице 1.

Р - показание измерительного оборудования, МПа или мм;

S₁ - граница перехода сооружения из нормативного в работоспособное состояние:

S₁=1,05σ_{вр,макс,} - для напряжений, МПа;

S₁=1,05δ_{вр,макс,} - для перемещений, мм;

S₁=Δ_макс, - для выкатки опорной части, мм;

S₂ - граница перехода сооружения из работоспособного в ограниченно-работоспособное состояние;

S₂=0,95(R - σ_пост), - для напряжений, МПа;

S₂=0,95(δ_макс - δ_пост), - для перемещений, мм;

S₂=1,2Δ_макс, - для выкатки опорной части, мм;

σ_{вр,макс} - напряжение в элементе при загружении наибольшей нагрузкой, обращающейся на участке расположения сооружения;

δ_{вр,макс} - перемещение узла при загружении наибольшей нагрузкой, обращающейся на участке расположения сооружения;

Δ_макс - значение возможных выкаток опорной части, устанавливаемый производителем;

R - расчетное сопротивление материала (для сжатых элементов с учетом понижающего коэффициента по устойчивости);

σ_пост - напряжение от всех постоянных нагрузок, действующих на сооружение, определяемое расчетом, или по фактически показаниям при наличии системы мониторинга, организованной на этапе строительства;

δ_макс - максимально допустимое перемещение узла сооружения, определяемое расчетом, нормативными документами или назначенное экспертным путем;

δ_пост - перемещение узла сооружения от действия всех постоянных нагрузок, определяемое по результатам расчетов или фактических измерений на сооружении.

Уровень сигнала «Норма» соответствует нормативному техническому состоянию. Пропуск нагрузки возможен без введения ограничений.

Уровень сигнала «Предупреждение» соответствует работоспособному техническому состоянию. Значение одного или нескольких полезных сигналов не отвечает требованиям уровня сигнала «норма», но имеющиеся нарушения не приводят к нарушениям работоспособности, а элементы конструкции обеспечивают необходимую несущую способность.

Уровень сигнала «Тревога» соответствует ограничено-работоспособному техническому состоянию. Значение полезных сигналов свидетельствует о снижении несущей способности отдельных элементов, при этом опасность внезапного разрушения отсутствует.

Пороговые значения сигнала, при котором конструкция из одной категории технического состояния переходит в другую, для каждого контролируемого параметра назначается индивидуально.

Пример 1. Осуществлялся мониторинг технического состояния пролетного строения моста (см. фиг. 1).

Первоначально с использованием результатов предварительно проведенных обследований создавалась конечно-элементная модель пролетного строения (см. фиг. 2) и осуществлялись расчетные исследования сооружения.

С использованием конечно-элементной модели производились расчеты пролетного строения без повреждений, затем расчеты пролетного строения при уменьшении поперечного сечения различных элементов, что моделирует появление трещин и коррозии в этих элементах. Определялись напряжения и перемещения в узлах конструкции для каждого расчета. Выявлялись места с наибольшим показателем отклика на воздействие подвижной нагрузки и развитие повреждений в других элементах, а также места с наименьшим запасом несущей способности при максимальном загружении. Отклик элемента на повреждения и величину запаса до достижения элементом предельного состояния вычисляли по формулам 1, 2.

Выполненные расчетные исследования позволили выбрать в качестве контрольных узлов мониторинга следующие элементы пролетного строения: нижний пояс 7-8, верхний пояс 7'-8', раскос 7''-8, продольная балка 8. Для контроля выкатки опорных частей была оборудована опорная поперечная балка 0. Расположение контрольных элементов (мест) в пространственной модели и установленного на них оборудования см. фиг. 3 и 4.

На территории объекта был оборудован диспетчерский пункт, состоящий из компьютера, программного обеспечения (административная система 10) и серверного оборудования 9, устанавливались преобразователи и телекоммуникационное оборудование 4, 5, 6, 8, линии связи и кабели питания, в контрольных узлах пролетного строения устанавливалось и подключалось к системе измерительное оборудование, включающее тензометры 1, датчики перемещения 2 и датчики температуры 3, базовую станцию и навигационные приемники ГНСС 7. После проведения пуско-наладочных работ периодически производился опрос измерительного оборудования. Полученная информация передавалась в диспетчерский пункт, где происходила автоматизированная обработка и хранение измеренных параметров, построение графиков показания измерительного оборудования (см. фиг. 6), вычисление инвариантных параметров (отношение напряжений в верхних поясах к напряжениям в нижних поясах; отношение напряжений в однотипных симметричных элементах пролетного строения; отношение выкатки опорных частей к температуре металлоконструкций пролетного строения; отношение перемещений симметричных узлов левой и правой фермы) и среднего арифметического каждого инвариантного параметра в совокупности с историческими данными. По полученным значениям инвариантных параметров строились графики, отражающие изменения этих параметров во времени (см. фиг. 7). График на фиг. 6 демонстрирует фиксацию перехода сооружения в работоспособное состояние по результатам сравнения значений напряжения в элементе пролетного строения с сигнальными уровнями. График на фиг. 7 демонстрирует появление и развитие дефектов по инвариантному параметру через 30-35 суток.

В приведенных примерах по результатам обработки данных система обеспечивает автоматизированное оповещение ответственных лиц об изменении технического состояния сооружения.

Преимуществом использования указанных в способе инвариантных параметров является независимость их значений от уровня воздействия временных нагрузок, что позволяет ответственному лицу фиксировать опасные изменения в конструкциях, которые могут протекать медленно и при низких уровнях воздействия, когда измеряемые параметры не достигают сигнальных уровней.

Таким образом, заявляемое изобретение повышает достоверность и точность определения технического состояния контролируемых конструкций и искусственного сооружения в целом, способствует выявлению повреждений и дефектов на ранней стадии их развития при низких уровнях временных нагрузок.

Способ мониторинга технического состояния пролетного строения моста, заключающийся в том, что в местах диагностирования контролируемой конструкции размещают датчики, осуществляют опрос датчиков, преобразуют полученную от датчиков информацию и передают ее на пункт контроля, выполненный в виде компьютера с программным обеспечением, где осуществляют регистрацию и сравнение полученной информации с заранее введенными в память компьютера вычисленными сигнальными уровнями, в пункте контроля формируют условное изображение контролируемой конструкции с отображением в наглядной форме мониторинговой информации и результатов оценки контролируемых элементов, отличающийся тем, что предварительно создается конечно-элементная модель объекта и осуществляются расчетные исследования сооружения без повреждений и при наличии повреждений различных видов, определяются напряжения и перемещения в узлах конструкции для каждого расчета, по результатам которых в качестве контролируемых элементов сооружения определяются точки с наибольшим показателем отклика на воздействие подвижной нагрузки и развитие повреждений в других элементах, а также точки с наименьшим запасом несущей способности при максимальном загружении, причем отклик элемента на повреждения вычисляется по формуле:

где

σ₁ - напряжения от постоянной и временной нагрузки в элементе в исходном состоянии, МПа;

σ₂ - напряжения от постоянной и временной нагрузки в элементе при наличии повреждения конструкции, МПа;

R - расчетное сопротивление материала, МПа;

величина запаса до достижения элементом предельного состояния определяется по формуле:

а затем на основе измеренных параметров вычисляются значения инвариантных параметров: отношение напряжений в верхних поясах к напряжениям в нижних поясах; отношение напряжений в однотипных симметричных элементах пролетного строения; отношение выкатки опорных частей к температуре металлоконструкций сооружения; отношение перемещений симметричных узлов левой и правой ферм и среднее арифметическое каждого инвариантного параметра в совокупности с историческими данными, по изменению во времени которых судят о состоянии контролируемой конструкции.