автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Методика экспериментальной оценки динамических характеристик пролётных строений автодорожных мостов

На правах рукописи

Павлов Евгений Иридиевич

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ОЦЕНКИ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРОЛЁТНЫХ СТРОЕНИЙ АВТОДОРОЖНЫХ МОСТОВ

Специальность 05.23.11 - Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

I

Москва • 2006

¿ообА

На правах рукописи

Павлов Евгений Иридиевич

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ОЦЕНКИ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРОЛЁТНЫХ СТРОЕНИЙ АВТОДОРОЖНЫХ МОСТОВ

Специальность 05.23.11 - Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва • 2006

Работа выполнена в Открытом акционерном обществе «Научно-исследовательский институт транспортного строительства» (ОАО ЦНИИС).

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Потапкин Анатолий Алексеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Почечуев Александр Петрович

кандидат технических наук, профессор Максимов Юрий Васильевич

Ведущая организация: ГП РОСДОРНИИ

Защита диссертации состоится 21 апреля 2006 г. в 10й® часов на заседании диссертационного совета Д.303.018.01 в ОАО «Научно-исследовательский институт транспортного строительства» по адресу: 129329, г. Москва, ул. Кольская д.1 (метро Свиблово).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОАО ЦНИИС.

Автореферат разослан «21» марта 2006 г.

Отзывы просим присылать в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

РОС НАЦИОНАЛЬНА*I БИБЛИОТЕКА , С.1

о»

Ж.А. Петрова

БЛИОТЕКА [

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Продолжающийся рост автомобильных перевозок при непрерывном обновлении автопарка страны и увеличении грузоподъёмности и мощности автомобилей вызывает увеличение динамической нагруженности мостов, приводит к необходимости их ремонта раньше установленных сроков и требует более точного учёта запасов прочности и долговечности.

Это естественным образом обостряет проблему экспериментальной оценки динамических характеристик пролётных строений методами неразрушающего контроля, чтобы повысить полноту и достоверность информации о состоянии сооружения и выйти на более точную оценку его прочности и долговечности.

Методы проектирования и расчётов в настоящее время также бурно развиваются, расчётные модели становятся всё более сложными, требуют создания новых систем контроля качества расчётов и их экспериментальной проверки.

В то же время экспериментальная оценка динамических характеристик мостов в существующих нормативных документах недостаточно строго регламентирована и специальные технические средства для этой цели не разрабатывались.

Цель работы: создание методики получения динамических характеристик пролётных строений мостов различных конструкций и технических средств для испытаний мостовых сооружений путём вибрационных неразрушающих методов исследований.

Задачи исследования. Определение набора динамических характеристик, являющихся наиболее стабильными, отражающими напряжённо-деформируемое состояние сооружения. Динамические испытания различных конструкций мостов с получением динамических характеристик и оформлением их в виде электронной базы данных. При необходимости создание технических и программных средств для получения динамических характеристик неразрупгающими методами, с минимизацией человеческого фактора. Демонстрация возможности получения тех же динамических характеристик расчётным путём.

Объектом исследования являлись автодорожные мосты и путепроводы различных конструкций: металлические и железобетонные, в том числе сборные и монолитные; разрезные и температурно неразрезные; с одним или несколькими пролётами; балочные, консольно - подвесные, арочные с ездой поверху.

Методы исследования. Основной метод исследований - экспериментальная оценка данных для вычисления спектров реакций на динамическое нагружение конструкций мостов с минимизацией шума на выходе и реализации режима управляемого эксперимента со встроенной функцией контроля в цифровом и графическом виде. Реализация режима управляемого эксперимента основана на методах распараллеливания задач ввода - вывода и обработки данных в реальном времени с задействованием аппаратных прерываний и каналов прямого доступа к памяти, что позволило минимизировать влияние человеческого фактора на результаты измерений.

Научная новизна работы.

1. Разработана методика экспериментальной оценки динамических характеристик пролётных строений автодорожных мостов, включающая технические средства и

электронную базу данных с целью аппаратурной диагностики мостовых конструкций методами неразрушающего контроля. Впервые получены экспериментальные комплексные спектры реакции пролётного строения на единичное гармоническое воздействие, что позволило повысить полноту и достоверность информации о состоянии сооружения.

2. Впервые с помощью специально созданных технических средств в виде действующего мобильного комплекса вибродиагностики сооружений (МКВС) стало возможным получение матрицы спектров реакции на динамическое нагружение конструкций мостов с минимизацией шума на выходе в автоматическом режиме с отображением результатов в реальном времени и исключением влияния человеческого фактора.

3. В результате исследований взаимодействия транспортных потоков с мостовыми сооружениями на основе настоящей методики были получены динамические характеристики пролётных строений автодорожных мостов и оформлены в виде электронной базы данных, которая является исходным статистическим материалом для оценки технического состояния мостовых сооружений в рамках системы контроля и оценки качества проектирования, строительства, эксплуатации и реконструкции транспортных сооружений.

Практическая ценность работы. Разработанная методика и технические средства позволяют с помощью комплексных передаточных функций производить экспериментальную оценку динамических свойств мостов в частотной области, что используется для получения экспериментально-расчётной оценки напряжённо-деформированного состояния сооружения с возможностью более точного обнаружения дефектов конструкции пролётных строений.

Реализация результатов работы. Разработаны методические рекомендации Росавтодора по вибродиагностике автодорожных мостов, которые содержат: методы вибродиагностики, включая оценку функции частотной реакции; перспективные характеристики технических и программных средств; экспериментальные и теоретические методы анализа и оценки результатов динамических испытаний с использованием экспериментальных передаточных функций. Создан опытный комплекс вибродиагностики строительных сооружений (МКВС) и разработана методическая инструкция МНЗО ОАО ЦНИИС. Методика метрологического обеспечения технических средств вошла в рабочую инструкцию РИ32 ОАО ЦНИИС.

Апробация работы.

Основные положения проведённых исследований и полученных результатов докладывались на научно-технических конференциях и секциях учёного совета ОАО ЦНИИС в 1992 - 2005 годах.

Публикации. По результатам исследования опубликовано 6 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, в котором даётся общая характеристика работы, шести глав, общих выводов и результатов, списка литературы из 42 наименований. Общий объем работы составляет 161 страницу, в том числе 131 страницу основной части, включая 19 таблиц и 82 рисунка.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности, указана цель работы, сформулированы задачи, выделена научная новизна, практическая ценность и реализация результатов работы, указаны объекты и методы исследования.

В первой главе изложено состояние проблемы экспериментальной оценки динамических характеристик мостов. В нашей стране динамические испытания проводятся в соответствии со СНиП 3.06.07-86, где указаны цели испытаний, рекомендованы нагрузки, места их приложения. Даны рекомендации по измерениям и по порядку проведения испытаний.

Отечественные экспериментальные исследования были начаты в 1928 году для железнодорожных мостов. Экспериментальные работы велись H.H. Максимовым, И.И. Казеем, А.И. Муровым, Б.Ф. Лесохиным, В.П. Польевко, Е.О. Патоном. В этих исследованиях были использованы теоретические работы С.А. Ильясевича, С.А. Бернштейна, В.В. Тимошенко, Инглиса.

Были проведены испытания нескольких железнодорожных пролётных строений под воздействием отдельных ударов. С самого начала исследований была осознана возможность и преимущество раздельного изучения динамики пролётного строения и нагрузки ив 1931 году начались испытания пролётных строений с помощью вибрационных машин. Накопленный опыт по раздельному исследованию динамики пролёта и обращающейся нагрузки позволил разработать численно-аналитическое решение задачи по поиску максимальных отклонений середины балки при движении по ней неуравновешенного колеса. В основу решения положено динамическое уравнение балки, как системы с одной степенью свободы и была получена вещественная передаточная функция:

h К_.

" V(l -TWj+teTa)2'

Т=1/ак, £ =

где: hq - значение динамического прогиба от единичной силы; hs - значение статического прогиба от единичной силы; Т - постоянная времени; щ -собственная круговая частота балки; \ - коэффициент демпфирования; А -фактор затухания.

Проведённые исследования позволили для пролётного строения решить динамическую задачу при движении по нему локомотивов с неуравновешенными массами.

Теоретические работы по динамике автодорожных мостов были продолжены А.М Ананьиным, А.Г. Барченковым, B.C. Сафроновым и другими. Были раздельно исследованы динамические характеристики обращающейся нагрузки и пролётного строения. Нелинейные участки характеристик жёсткости заменялись линеаризованными.

Были указаны методы расчёта линейной динамической системы мост - автомобиль, которые были сведены с помощью преобразования Бубнова - Галеркина к

решению обыкновенных дифференциальных уравнений В качестве базиса при этом были использованы собственные формы колебаний главной подсистемы - мост.

Однако экспериментальное подтверждение полученных расчётных динамических прогибов пролётного строения вызвало значительные трудности. Даже при двух, на первый взгляд одинаковых пробегах грузовика, графики колебаний пролётного строения существенно различались. Поэтому был предложен статистический подход: сочетание многократного численного решения с многократным физическим прогоном автомобиля. В настоящее время для обеспечения точности метода требуется отслеживать быстро меняющиеся динамические характеристики автомобилей и статистику грузопотока.

Одним из примеров тщательного учёта колебаний и динамической нагрузки за рубежом являются исследования для обоснования положений кодекса по строительству мостов, выполненные министерством транспорта и коммуникаций Онтарио (Канада). Работа посвящена уточнению графика допустимой динамической нагрузки. Главное её отличие от добавки динамического коэффициента состоит в том, что она зависит от первой изгибной частоты колебаний, а не от расчётной длины и типа пролёта, как это регламентирует СНиП 2.05.03-84*. Смысл такого подхода заключён в явлении динамического усиления колебаний пролётного строения, когда резонанс пневматики и подвески автомобилей, находящийся в диапазоне частот 2 - 4 Гц совпадает с резонансом пролёта. Данная работа стала возможной благодаря наличию соответствующего оборудования и ранее разработанной методики динамических испытаний и обработки результатов. Динамические характеристики делятся на собственно динамические характеристики, динамический отклик и реакцию человека.

В качестве динамических характеристик определялись:

- собственные частоты и формы колебаний пролётного строения;

- коэффициенты демпфирования для каждой формы колебаний;

- спектры мощности колебаний от проходящего транспорта.

Под динамическим откликом подразумевается реакция сооружения от тяжёлой автомобильной нагрузки. Эта реакция измерялась в перемещениях или деформациях на оси времени и в результате последующей обработки определялось динамическое усиление.

Исследовалась также реакция человека на вибрации проезжей части. Уровень реакции определялся методом экспертных оценок с использованием описания Рай-нера-Майстера: слабо заметный, отчётливо заметный, сильно заметный, беспокоящий, сильно беспокоящий.

Главным результатом данных исследований являлась обобщённая функция допустимой динамической нагрузки, которая уточняла предыдущую редакцию Кодекса по строительству мостов Онтарио (The Ontario Highway Bridge Design Code, OHBDC).

Работа П. Ли и др. о статических и динамических испытаниях железобетонных мостов в Гонконге служит примером сочетания экспериментальных и расчётных методов оценки их состояния. В этой работе динамические характеристики определялись с помощью двух методов нагружения: ударно - импульсным воздействием и проездом лёгкого грузовика через порожек. Первая собственная час-

тота вычислялась теоретически, идеализацией пролётного строения до простой опёртой балки. Кроме этого была решена простая динамическая численная модель методом конечных разностей. Различия между экспериментальными и расчётными частотами составили от 2.3% до 18%. В заключение был сделан вывод о том, что при адаптации динамической модели вместо статической, имея экспериментальные динамические параметры, получаются результаты, лучше совпадающие с полевыми измерениями.

Пример силового возбуждения нормальных форм колебаний демонстрирует работа Р. Флеша, К. Кернбихлера и П. Грубля, где использовалась наиболее совершенная система для натурных исследований форм колебаний, разработанная В\ТА и Техническим университетом города Грац. Она позволяла находить резонансы с точностью до 0.001 Гц, которая оказалась избыточной вследствие того, что идентификация расчётной модели и объекта ограничивалась температурными эффектами.

Далее, в главе 1 даётся обзор экспериментальных методов анализа колебаний и рассматривается получение различного вида динамических характеристик. Методы анализа колебаний условно разделяются на четыре категории:

1. Исследования реакции, когда невозможно одновременно измерить входное воздействие.

2. Исследование реакции затухания по комплексной экспоненте.

3. Силовое возбуждение нормальных форм колебаний.

4. Оценка функций частотной реакции.

Даётся краткая характеристика каждой категории и делается вывод в пользу четвёртой категории. Она уступает третьей категории по точности оценки собственных частот для гипотетической математической модели, но проще в реализации испытательного оборудования и требует значительно меньше времени на экспериментальные исследования, а также позволяет одновременно с откликом измерять входной сигнал силы. Все сигналы из временной области преобразуются в частотную. Комплексная операция нормирования относительно усилия возбуждения даёт спектр реакции относительно возбуждающего усилия или передаточную функцию при действительной части переменной Лапласа, равной нулю. Именно в этом контексте в настоящей работе употребляется понятие передаточной функции. Кроме того, самый ранний успех по решению динамической задачи для проблемы разрушения железнодорожных мостов от неуравновешенных масс паровозов связан с исследованиями пролётных строений методом оценки функций частотных реакций.

Далее обосновываются наиболее типичные свойства комплексных передаточных функций для системы с одной степенью свободы. Такой системой может являться простая опёртая балка. Выражение передаточной функции представлено в каноническом виде:

_

ГУ+2£Гу + Г

где: 5 = сг + }<о - переменная Лапласа; К - коэффициент усиления или передаточный коэффициент; Т - постоянная времени; £ - коэффициент демпфирования (в механике эта величина называется относительное демпфирование).

На теоретическом примере передаточной функции системы с одной степенью свободы показано, что:

- высота резонансного пика определяется коэффициентом демпфирования и равна: W = — ■

max ^

- при со = О передаточная функция будет равна К, имеющему физический смысл статического прогиба от единичной силы;

- коэффициент демпфирования, декремент колебаний и логарифмический декремент колебаний однозначно связаны между собой выражением: D = = е".

Для решения задачи математического моделирования целиком, модель должна иметь не только входные и выходные характеристики системы, но и все внутренние характеристики во всех элементах, адекватно отражая физический объект. Наиболее общее и одновременно элегантное решение данной задачи обеспечивает метод, известный в теории автоматического регулирования как метод переменных состояния.

Система дифференциальных уравнений может быть записана в компактной векторно-матричной форме:

х = Ах + Вы у = Сх

где: U - вектор входа;

Х - вектор внутренних переменных; у - вектор выхода;

А, В- матрицы, связывающие вход со внутренними переменными;

С- матрица, связывающая внутренние переменные с выходом; Матрицу

O(s) = C(sI-A) 'B

называют матричной передаточной функцией, которая устанавливает связь между

векторами входа U(s) и выхода Y(s).

То есть для пролётного строения расчётным путём можно получать функции частотной реакции или передаточные функции.

Далее формулируются цели и задачи исследований.

Опыт отечественных и зарубежных исследований показывает, что метод раздельного исследования динамики пролёта и обращающейся нагрузки обладает преимуществом по сравнению с методом оценки колебаний от обращающейся нагрузки.

При экспериментальной оценке динамических характеристик, таких, как формы колебаний, резонансные частоты, коэффициенты демпфирования, наиболее удачным выбором будет оценка функций частотной реакции при сканировании частоты возбуждающих колебаний. Для обеспечения возможности получения экспери-

ментально - расчётной оценки напряжённо - деформированного состояния сооружения, наиболее совершенной на сегодняшний день, требуется получать эти спектры реакции расчётным путём, и такая возможность была продемонстрирована.

Основная цель настоящей работы - создание методики получения динамических характеристик пролётных строений мостов различных конструкций и технических средств для испытаний мостовых сооружений путём вибрационных неразру-шающих методов исследований.

С достижением указанной цели появляется возможность разрабатывать отка-либрованные по результатам испытаний более точные компьютерные модели моста для совершенствования точности расчётов, идентификации дефектов, более точной оценки надёжности и долговечности мостов.

Эффективность методики следует оценить при испытаниях пролётов различных конструкций, с фиксацией влияния имеющихся дефектов на спектры реакции. Из выполненных испытаний выбрать типовые примеры пролётных строений автодорожных мостов для иллюстрации методики в настоящей работе.

Методика испытаний должна включать как получение передаточных функций, так и традиционных динамических характеристик. Для этого на примерах следует проиллюстрировать использование современных технических средств для динамических испытаний мостов в соответствии со СНиП 3.06.07-86 [28], а именно, получение динамического коэффициента и декремента колебаний.

Результаты испытаний следует свести в электронную базу данных.

Методически рассмотреть основные виды погрешностей при динамических испытаниях.

Для обеспечения практической ценности работы в методику должны быть включены специальные технические и программные средства, которые решают технологические проблемы трудоёмкости испытаний и надёжности получения результатов. Для этого необходимо сформировать требования на технические средства и на их основе создать действующий макет таких средств. Для обеспечения достоверности получаемых результатов рассмотреть проблемы случайных и систематических погрешностей на методическом, программном, аппаратном уровнях, минимизировать человеческий фактор при испытаниях, повысив уровень автоматизации эксперимента и наглядность представления результатов.

Для завершения исследований произвести два варианта расчёта. Первый - на основе аналитической модели динамической системы с одной степенью свободы, в которой установить связь динамических характеристик пролётных строений с традиционными, статическими.

Второй - с применением современных численных методов расчёта на базе системы МКЭ-моделирования. Получить теоретические спектры реакции и сравнить их с экспериментальными.

Блок - схема исследований приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Блок-схема исследований

Глава 2 посвящена оценке функций частотной реакции мостов.

Исследования велись в рамках общей научной работы, волновой томографии строительных сооружений, под руководством А.А. Цернанта. Методика динамических испытаний строительных сооружений различного типа разрабатывалась под руководством А.Н. Звягинцева и Ю.В. Новака при участии В.И. Вацуро, А.Б. Ивановского, А.Н. Короткова. Методические рекомендации Росавтодора разрабатывались под методическим руководством Л.И. Горобец, И.К. Матвеева совместно с В.И. Шестериковым и М.И. Шенцвитом.

В общем случае, при получении передаточных функций следует иметь в виду, что с их помощью нужно идентифицировать не менее 3-4 форм колебаний, начиная с первой, наиболее низкочастотной, которая вносит самый большой вклад в общие вибрации пролёта. В качестве точки нагружения следует выбирать такие места, как пучности первых форм колебаний, геометрический центр и центр масс. Измерение виброперемещений следует проводить в соответствии с п. 3.19 СНиП 3.06.07-86. Выбор режима нагружения сводится к следующим основным правилам:

- нагружение ведётся усилием, изменяющимся по синусоидальному закону;

- стандартно используется положительное приращение частоты (прямая развёртка);

- приращение частоты производится ступенчато, с шагом не более 0.1 Гц;

- один шаг нагружения должен состоять не менее чем из четырёх полных периодов колебаний.

Для оценки погрешности вблизи резонансов, рекомендуется использовать одно нагружение с отрицательным приращением частоты (обратную развёртку). Корректность измерений следует проверять в реальном времени по показаниям осциллографа, амплитудо - фазо - частотным характеристикам и статистическим параметрам точности измерений, а после испытаний пролёта - по анимационной картине колебаний.

Изложение методики получения передаточных функций мостов построено на объектах, выбранных в качестве типовых из имеющихся в базе данных. Для всех мостов, кроме арочного, методики представлены полностью, начиная от режимов, порядка нагружения и мест расстановки измерительных датчиков и заканчивая представлением результатов в графической и табличной форме. Передаточные функции даны в виде амплитудо-фазо-частотных характеристик (АФЧХ) в линейных осях, в комплексном виде. По горизонтальной оси отложена частота в Герцах, вертикальная ось имеет единицы измерения м/т, чёрным цветом изображён модуль амплитуды, красным - действительная часть, синим - мнимая. Первые формы колебаний пролётов также даны в графическом виде.

В качестве представителя однопролётной конструкции с металлическими главными балками взят мост через реку Скнига у н.п. Романово на автодороге "Подход к г. Серпухову". Мост имеет пролет с четырьмя металлическими главными балками, выполненными по индивидуальному проекту повторного применения металлоконструкций. Продольная схема 1x27.6 м, поперечная схема К1.5+1.8+2.0+1.8+К1.5 м. Кроме вибро-, на мосту проводились тензоизмерения. Схема нагружений и измерений представлена на рисунке 2, передаточные функции - на рисунке 3. Идентифицированные формы колебаний приведены в таблице 1 и на рисунках 4 и 5.

Таблица 1

Параметр Продольный прогиб, прямая / обратная развёртка Продольный и поперечный прогиб, 2,3 балки/тротуары

Частота, Гц 4.45 15.5

Амплитуда, м/т 0.0023 / 0.0036 0.000117/0.000162

Коэффициент демпфирования 0.026/0.0158 0.044/0.047

Романово

Серпухов

1—гп1— —|г: -1—

Щ.-------Щ---- -----т---- ----т---- ----щ

*-------т---- -----и---- ----в---- —1

1 I 1 —1

Опора 2

А-А 1Р

■г НЫН тЯ

11111111111111

|р нагрузка ■ вибродатчик □ тензодатчик

Рисунок 2 - Схема нагружений и измерений

Было обнаружено различие в передаточных функциях, полученных в разное время. Путём изменения нагружающего усилия обнаружена нелинейность работы пролётного строения. Оба явления связаны с наличием дефектов в устоях.

Введён коэффициент связи напряжений с прогибами К„п, равный отношению напряжения в нижнем поясе балки к её прогибу на частоте первого резонанса. Было

зафиксировано, что К^ балок №1 и №2 различаются (24800 ^см и

vp / CM^

19700 ). Разница KH1

в 23% может быть объяснена двумя причинами. Во-

первых, разными опорными реакциями для балок №1 и №2 и, во-вторых, образованием продольной трещины в сварном шве крепления накладки усиления в средней, наиболее нагруженной секции балки №1. При последующем осмотре аналогичная трещина была обнаружена и на балке №4. На обратных стенках устоя №2 также была обнаружена трещина, нарушающая его целостность.

.0021385

г, *<fi.

О.0021436

9.95

»63

0.0023339

9.95

3. *б2

9.95

iSi-

0024986

9.95

.0022018

9.95

6. *тр2

0.0026522

9.95

Рисунок 3 - АФЧХ среднего сечения пролёта. Здесь и на следующих АФЧХ по оси У: [—] модуль амплитуды, [--] действительная, [-•-] мнимая часть виброперемещения в метрах;. По оси X - частота, Гц

"ч

Рисунок 4 - Первая форма колебаний - продольный прогиб на частоте 4.45 Гц

ч

Рисунок 5 - Продольный и поперечный прогиб на частоте 15.5 Гц

В качестве представителя однопролётной конструкции из сборного непредна-пряжённого железобетона выбран мост через реку Ольховка на подъезде к н.п. Оль-ховец Тульской области. Пролёт состоит из шести железобетонных балок таврового сечения, балки № 1 и № 6 проектировки Союздорпроекта, выпуск 167, расчетным пролетом 11.10м; балки № 2, №3, № 4 и № 5 - проектировки Союздорпроекта, выпуск № 710/5, расчетным пролётом 11.40 м. Балки объединены между собой по плите. Поперечная схема пролетного строения К0.75+5х1.67+К0.75.

3 5 8 15.95 |3 5 8 15.95 3 5 8 15.95 Рисунок 6 - АФЧХ среднего сечения пролёта

Методика испытаний данного моста аналогична предыдущей. Отличия заключаются в отсутствии тензоизмерений. Нелинейной динамической работы и погрешностей в районе резонанса на данном мосту обнаружено не было. Техническое состояние моста было оценено в три балла. Не смотря на это, последующий расчёт

грузоподъёмности показал, что мост способен нести нормативную нагрузку в соответствии с проектом. Таким образом, линейность динамической работы пролётного строения позволяет говорить об отсутствии дефектов, влияющих на снижение несущей способности. Кроме того, пролётное строение из сборного непреднапряжён-ного железобетона имеет менее острые резонансы по сравнению с металлическим пролётным строением, что уменьшает погрешности получения передаточных функций в районе резонансов. АФЧХ среднего сечения пролёта представлены на рисунке 6.

В качестве примера для многопролётных балочных разрезных мостов выбран мост из сборного железобетона через реку Локна в городе Плавск. Мост двухпро-лётный по схеме 2x16,76 м. Пролетные строения железобетонные, балочно-разрезные, расчетным пролетом 16,3 м. В поперечном сечении пролетного строения 7 тавровых балок проектировки Союздорпроекта, выпуск 167. Поперечная схема пролетного строения К0,75+6х1,64+К0,75. Оба пролёта моста испытываются отдельно, как в предыдущем случае, с выносом дополнительных точек измерений в среднее сечение соседнего пролёта. В результате испытаний определены АФЧХ, идентифицированы собственные частоты и построены их формы колебаний по каждому пролёту.

Представителем многопролётных температурно-неразрезных мостов выбран путепровод через пути Октябрьской железной дороги, расположенный в посёлке Редкино Конаковского района Тверской области. Путепровод трехпролётный, по схеме 14.7+18+14.7 м, имеет шесть металлических главных балок и железобетонную монолитную плиту проезжей части. Поперечная схема пролетного строения -К1.825+5*2.8+К1.825 м. Угол косины в плане - 78°. Методика динамических испытаний путепровода состоит из двух этапов. На первом этапе измерения снимаются с продольной оси путепровода на проезжей части. Нагружение ведётся последовательно, из центра каждого пролёта. На втором этапе путепровод испытывается по-пролётно. При этом дополнительных измерений в среднем сечении соседних пролётов не делается.

В длинных пролётных строениях начинает проявляться задержка распространения колебаний на соседние пролёты, которую следует иметь в виду при анализе. Различие передаточных функций, полученных в разное время, указывает на наличие дефектов или изменение граничных условий. Перераспределение усилий в статиче-ско-неопределимой схеме пролётного строения влияет на остроту резонансного пика.

Примером консольно-подвесного моста является тпёхцролётньтй городской мост через реку Тверца в городе Тверь. Пролётное строение - сквозные металлические фермы с ездой поверху, общей длиной 142.8 м и консолями в первом и третьем пролёте (по схеме: 37.8+67.2+37.8 м, габарит: Г-13+2*1.5 м).

Нагружение и измерения проводились в два этапа. На первом этапе мост нагружался из центра второго пролёта, измерения снимались со всего моста, включая опорные части и ригеля опор. На втором этапе испытывались пролёты №1 и №3. В данном случае проводились упрощённые испытания. Исследовалась форма вертикального прогиба с точки зрения работы шарниров. Нагружатель располагался в

центре пролёта №1 или №3. Измерения для соответствующего пролёта снимались с верхнего сечения фермы №4 за одно нагружение.

В данном городском мосту идентифицированная первая изгибная форма колебаний попадает в запрещённый п. 1.48* СНиП 2.05.03-84* [1] диапазон периодов колебаний от 0.45 до 0.6 с.

В качестве примера арочного, с ездой поверху, моста выбран городской железобетонный арочный мост с ездой поверху через реку Волгу в городе Старица. Схема моста 14,93+68,89+2x66,43+68,89+2x14,93 м. Средние пролёты, №2 - №5 арочного типа. Они перекрывают русло реки и состоят из четырёх трёхшарнирных арок. В данном испытании по ряду причин не исследовались колебания нескольких пролётов при нагружении из одной точки. Мост испытывался попролётно. Нагружение велось из точки, расположенной приблизительно в длины пролётного строения, между 2-й и 3-й арками. Датчики располагались как на всей поверхности проезжей части, по пяти поперечным сечениям, так и на арках, у мест опирания стоек №1, №4, №9, №12, а также на горизонтальной площадке верхней части опор. Регистрировались три взаимно перпендикулярные компоненты виброперемещений. Из этих АФЧХ составлялась полная пространственная картина колебаний каждого пролёта.

Полные испытания состояли приблизительно из 100 этапов при 164-х динамических нагружениях. Только идентифицированных форм колебаний арочной части пролётного строения насчитывается: три поперечных; 10 изгибных; одно крутильное. Все они находятся в диапазоне частот 0.83 Гц - 4 Гц. Идентификация близкорасположенных собственных форм колебаний представляла собой сложную задачу, которая была решена при помощи МКЭ-моделирования моста.

Третья глава посвящена оценке динамического коэффициента и декремента колебаний от обращающейся нагрузки. Колебания пролётного строения регистрируются измерительной системой с последующим пересчётом в напряжения, ускорения и перемещения, как функции на оси времени. С помощью этих данных нельзя определить передаточные функции относительно усилия возбуждения, но можно их использовать для определения реальной картины деформаций на оси времени, чтобы эти данные использовать для определения декремента колебаний и добавки динамического коэффициента.

В третьей главе излагаются условия корректной оцифровки аналогового сигнала современной измерительной системой с приведением соответствующих примеров.

Приводится пример определения декремента колебаний для однопролётного моста из сборного железобетона. Показывается, что точность определения декремента колебаний снижается, когда имеет место сложение колебаний от нескольких резонансов.

Приводятся различные варианты определения динамического коэффициента. Делаются выводы о том, что значение динамического коэффициента зависит от способа его определения и что при оценке динамического коэффициента необходимо указывать наиболее важные дополнительные сведения о способе и условиях его оценки, такие, как: транспорт, его массу, параметры движения; расчётную формулу, способ выбораизмеряемый параметр и место его измерения.

Известные методики динамического расчёта системы мост - автомобиль тре-1 буют знания динамических характеристик автотранспортных средств. Пример экс-

периментальной оценки динамических характеристик автомобилей с помощью функций частотной реакции дан для двух случаев нагружения грузового автомобиля: с основания и с рамы. В результате получены безразмерные графики передачи вибраций и определены резонансы подвески и пневматики колёс.

В четвёртой главе рассматриваются основные виды погрешностей при динамических испытаниях.

Рассматривается точность при измерениях вибраций датчиками, ошибки, связанные с их физическими характеристиками, а также с линейными, угловыми и прочими погрешностями установки на объект. 1 Рассматриваются проблемы, возникающие при составлении анимационной кар-

тины колебаний из АФЧХ, полученных при разных нагружениях. Иногда поверхности, которые должны оставаться гладкими, искажаются. Одна из проблем связана с \ фактом уменьшения точности экспериментальной передаточной функции при уве-

личении остроты резонансного пика. Другая проблема связана с систематическими ошибками измерений, которые не выявляются с помощью параметра когерентности. Для окончательного контроля корректности измерений рекомендуется сразу после их получения строить анимационную картину колебаний.

Указывается на источник дополнительных погрешностей при определении статических прогибов с помощью передаточных функций. Показывается, что всякая АФЧХ в размерности «перемещение/сила» стремится при уменьшении частоты к значению статического прогиба, нормированного по единичной силе. Однако при уменьшении частоты с 4 до 0.6 Гц усилие от инерционной массы сейсмовибратора резко уменьшается, что и является причиной дополнительных погрешностей при оценке передаточных функций и статических прогибов.

Важная задача по оценке постоянных напряжений моста может быть решена методом местной разгрузки путём сверления отверстий с применением метода динамической калибровки на базе коэффициента Кнп, что устраняет погрешности, связанные с неточностью практической реализации.

В пятой главе определяются гребования, предъявляемые к техническим средствам, предназначенным для динамических испытаний, даются характеристики разработанных специальных технических и программных средств, рассматриваются проблемы метрологии.

Требования, или технические характеристики, необходимы для того, чтобы с ** помощью соответствующего оборудования можно было: получить заданные резуль-

таты; обеспечить при этом надёжность; уменьшить время проведения испытаний и минимизировать затраты.

Нагружающее устройство должно управляться одним оператором (водителем) и самостоятельно устанавливаться на проезжей части в рабочее положение и после окончания нагружения самостоятельно освобождать проезжую часть. Управление нагружением должно осуществляться от ПЭВМ, проводящей сбор измерительной информации. Процесс подготовки к нагружению и освобождение проезжей части должен занимать не более 5-ти минут.

Измерительные датчики должны работать в интервале температур -20 - +50°С, иметь точность не хуже 2.5%, нормированную по амплитуде и фазе в диапазоне 0.6 - 30 Гц частотную характеристику, динамический диапазон - 90 дБ. Указаны также и некоторые другие особенности вибро- и тензодатчиков.

Чтобы исключить влияние человеческого фактора на результаты измерений, измерительная система должна обеспечивать получение АФЧХ в автоматическом режиме с оценкой случайной погрешности и регистрацию колебаний от проходящего транспорта.

Далее приводится описание опытного образца мобильного комплекса вибродиагностики сооружений (МКВС). Он состоит из двух автомобилей: мобильного сейс-мовибратора СВ5-150М1А и информационно-измерительной лаборатории на базе ЗиЛ-131Н. Мобильный комплекс позволяет производить динамическое нагружепие мостов и измерять динамические перемещения, ускорения и деформации в различных точках сооружения.

Сейсмовибратор был доработан Армавирским СКБИМ по спецзаданию для обеспечения возможности прямого измерения усилия воздействия на основание и способности работы от управляющей ПЭВМ.

Универсальная измерительная лаборатория состоит из ПЭВМ, пассивной кабельной системы, измерительных датчиков, преобразователей, приспособлений к ним и вспомогательного оборудования. Приём, оцифровка сигнала и управление на-гружением производится с помощью платы фильтров - программоуправляемых усилителей и платы АЦП - ЦАП. Количество измерительных аналоговых каналов -16. Обе платы изготовлены в стандарте ПЭВМ.

С помощью пассивной кабельной системы к ПЭВМ можно подключить следующие датчики: измеритель виброскорости GZ410; тензоусилитель TZ102; акселерометры серии AZ.

При разработке кабельной системы и измерительных датчиков были решены многие проблемы точности, технологичности, помехозащищённости.

Данные технические средства разрабатывались совместно с А.Б. Ивановским.

Метрологическое обеспечение информационно - измерительной системы проводится в соответствии с рабочей инструкцией РИ32 ОАО ЦНИИС. Данная методика и вспомогательные технические средства позволяют нормировать фазу.

Далее излагаются ключевые особенности программных средств. Приводятся основные типы данных и программное обеспечение, обеспечивающее как полное обслуживание испытаний, так и позволяющее проводить разнообразную математическую, графическую и анимационную обработку результатов.

Отображение передаточных функций в графическом и текстовом виде осуществляется программами EXPRESS и ЕХ32. Отображение сигналов во временной области осуществляется программами IS и ЕХ32. Анимация колебаний в частотной и временной области строится с помощью программы VIZEXP. Вычисление передаточной функции, спектра и калибровка сигнала во временной области производится с помощью программы OFFT. Арифметические операции со спектрами и передаточными функциями производятся с помощью программ AMD и ЕХ32. Перевод экспериментальных данных из двоичного в текстовый вид осуществляется програм-

мой EX32 и REC. Сбор, обработка, накопление запись данных и управление нагру-жением осуществляется программой MOD и частично ех32. Программы AMD, OFFT, EXPRESS, MOD написаны автором, программы ЕХ32, VIZEXP - Г.А. Шиловой.

Спектр реакции с минимизацией шума на выходе для системы с одним входом Хи несколькими выходами У вычисляется по следующей формуле:

syC,x)=-a-;

Едало

i=i

где: X* - величина, комплексно сопряжённая с X; j - номер исследуемой частоты в развёртке; i - номер периода для каждой исследуемой частоты.

Дополнительно определяется ещё одна функция, называемая функцией когерентности:

_ У. .=1

Jw(o * ¿wo

V i-i

С°Ь}(у,х) =

£г(/)Г(/)

V <-1 ) V 1=1

где: X* - величина, комплексно сопряжённая с X; У* - величина, комплексно сопряжённая с К; у - номер исследуемой частоты в развёртке; г" - номер периода для каждой исследуемой частоты.

Если функция когерентности равна нулю - вход не связан с выходом, если равна единице - то случайная погрешность отсутствует.

При вычислении передаточных функций, спектров и при калибровке сигнала во временной области осуществляется полная калибровка по амплитуде и фазе с учётом АФЧХ датчиков и запаздывания, вносимого последовательным опросом каналов АЦП.

Шестая глава посвящена расчётам пролётного строения с использованием натурных динамических характеристик. Поскольку действующие нормативные документы ориентированы на учёт первой собственной частоты пролётного строения, приводится пример аналитического расчёта математической модели пролётного строения из сборного железобетона как динамической системы с одной степенью свободы. Построены экспериментальная (средняя по 6-ти балкам) и расчётная (К=6.38е-5, Т=0.01759, ¿=0.0647) АФЧХ для среднего сечения пролёта (рисунок 7). Определены основные характеристики пролёта, такие, как масса т, момент инерции 7, модуль упругости бетона Е, первая собственная частота и статический прогиб.

Второй вариант расчёта ориентирован на использование современных средств компьютерного моделирования и выполнен с помощью системы С08М08М У2.9 (лицензия 112995 БУЛ 3599) под руководством Ю.В. Новака. Разработана МКЭ-модель (рисунок 8), получены первая (рисунок 9), вторая и третья формы колебаний и АФЧХ (рисунок 10). Обе модели дают хорошую сходимость с экспериментальными данными по частоте (3.2%) и удовлетворительную по массе и амплитуде (27%).

Улучшение качества расчётных моделей является задачей для дальнейших исследований.

Эксперимент

0.0005076

Расчёт

0.000493926

3 6 9 15.95

3 6 9 15.95

Рисунок 7 - АФЧХ (эксперимент и расчёт) для среднего сечения пролёта

а железобетон балок - опорные части

■ железобетон колёсоотбойного бруса » растянутый железобетон балок

Рисунок 8 - МКЭ-модель пролёта, вид сбоку

Рисунок 9 - Форма колебаний №1 - продольный прогиб на частоте 9.076 Гц

Рисунок 10 - АФЧХ среднего сечения пролёта, рассчитанные с помощью системы

СШМОБМ

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Проведён анализ отечественного и зарубежного опыта получения экспериментальных динамических характеристик мостов и сделан вывод о том, что раздельное исследование динамики мостовых конструкций и обращающейся нагрузки даёт более точные данные о состоянии сооружения и позволяет решать более сложные задачи, например, проблему повреждения мостов от неуравновешенных масс локомотивов.

2. На базе теории колебаний проанализированы различные методы получения динамических характеристик, было обращено внимание на то, что качество любого метода нельзя рассматривать в отрыве от технических средств и в качестве базового был выбран метод оценки спектров реакций от единичного синусоидального воздействия с минимизацией шума на выходе (передаточная функция с оценкой случайной погрешности).

3. Впервые для мостовых конструкций получены комплексные экспериментальные спектры реакций от синусоидального единичного усилия с минимизацией шума на выходе (передаточные функции с оценкой случайной погрешности).

4. Установлена связь между динамическими характеристиками пролётных строений и традиционными, статическими характеристиками.

5. Проведены динамические испытания серии из 70-ти мостов разных конструкций в соответствии с действующими нормативными документами с получением семейства передаточных функций, а также откликов на проходящую нагрузку.

6. Создана объектно - ориентированная база данных, объединившая результаты испытаний строительных сооружений для оценки технического состояния мостов в рамках системы контроля и оценки качества проектирования, строительства, эксплуатации и реконструкции транспортных сооружений.

7. Для более качественной иллюстрации настоящей методики, из базы данных выбраны примеры мостов с разными конструкционными особенностями и представлены в настоящей работе с приведением всех существенных этапов испытаний и полученных результатов, в том числе рассмотрен ряд дефектов в связи с их влиянием на передаточные функции.

8. Рекомендованы способы оценки динамического коэффициента с помощью современных технических средств с точки зрения их унификации для последующего совершенствования нормативной базы.

9. Для обеспечения практической ценности работы определены технические характеристики, которым должны удовлетворять средства измерений для получения передаточных функций и создан действующий мобильный комплекс вибродиагностики сооружений (МКВС), позволяющий проводить аппаратурную диагностику мостовых конструкций методами неразрушающего контроля.

10.Получение передаточных функций строительных сооружений реализовано в автоматическом режиме при управлении от ПЭВМ, с обработкой эксперимента®- !> ных данных с оценкой случайной погрешности и отображением результатов в реальном времени, что позволило минимизировать влияние человеческого фактора

и повысить полноту и достоверность информации о состоянии сооружения.

11. Разработана методика метрологического обеспечения измерительной лаборатории МКВС, которая вошла в рабочую инструкцию РИ32 ОАО ЦНИИС.

12. Методика получения передаточных функций мостовых конструкций вошла в состав Методической инструкции МН30 ОАО ЦНИИС и Методических рекомендаций Росавтодора по вибродиагностике мостов.

13.Выполнены два варианта расчётов пролёта из сборного железобетона. Первый вариант - на базе аналитической модели динамической системы с одной степенью свободы, второй вариант - численный расчёт по МКЭ-модели с помощью системы COSMOSM. Обе модели дают хорошую сходимость с экспериментальными данными по собственным частотам и удовлетворительную по амплитудам и массе. Улучшение качества расчётных моделей является задачей для дальнейших исследований.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Звягинцев А.Н., Павлов Е.И. «Возможности технологии вибродиагностики строительных объектов различного назначения». Труды ЦНИИС, вып. №202, Динамические испытания строительных материалов, конструкций и сооружений

-М.: ЦНИИС, 2000. 7

2. Новак В.В., Новак Ю.В., Павлов Е.И. «Динамические испытания сталежелезобе-тонного моста через р. Клязьма у г. Павловский Посад». Труды ЦНИИС, вып. №202, Динамические испытания строительных материалов, конструкций и со- » оружений - М.: ЦНИИС, 2000.

3. Павлов Е.И., Ивановский А.Б. «Информационно - измерительная система». Труды ЦНИИС, вып. №202, Динамические испытания строительных материалов, конструкций и сооружений - М.: ЦНИИС, 2000.

Павлов Е.И. «Информационно - измерительная система». Труды конференции: Сейсмостойкость крупных транспортных сооружений в сложных инженерно -геологических условиях, Часть 2 - М.: АО ЦНИИС, 1999. Звягинцев А.Н., Катаев С.К. Новак Ю.В., Павлов Е.И. и др. «Динамическая диагностика и идентификация дефектов мостов, зданий и сооружений на базе передвижного комплекса технических средств». МАСКАН №9, Ташкент, 1991. Переселенков Г.С., Звягинцев А.Н., Матвеев И.К., Кириллов Г.А., Павлов Е.И. «Причины интенсификации динамики и снижения ресурса малых мостов». Транспортное строительство №5,2002.

Подписано в печать 20.03.2006. Формат 60 х 84 '/ц,. Объем 1,75 п.л. Тираж 80 экз. Заказ 7.

Отпечатано в типографии ОАО ЦНИИС. Лицензия ПЛД № 53-510 от 22.10.1999 г.

129329, Москва, Кольская 1 Тел.: (495) 180-94-65

6 9ÍS

6 96 9

Обозначения и сокращения.

Введение.

Глава 1 Состояние проблемы.

1.1 Регламентированные методы динамических испытаний пролётных строений.

1.2 Отечественные экспериментальные исследования динамики мостов.

1.3 Исследование динамики мостов за рубежом.

1.4 Обзор экспериментальных методов анализа колебаний.

1.5 Передаточная функция системы с одной степенью свободы.

1.6 Решение динамической задачи в общем виде методом переменных состояния.

1.7 Цели и задачи исследований.

Глава 2 Оценка функций частотной реакции мостов.

2.1 Некоторые общие правила получения передаточных функций пролётных строений

2.2 Однопролётные мосты с металлическими главными балками.

2.3 Однопролётные мосты из сборного непреднапряжённого железобетона.

2.4 Многопролётные балочные разрезные мосты.

2.5 Многопролётные температурно-неразрезные мосты.

2.6 Консольно-подвесные мосты.

2.7 Арочные мосты с ездой поверху.

Глава 3 Оценка традиционных динамических характеристик.

3.1 Регистрация колебаний с использованием измерительной системы МКВС.

3.2 Определение декремента колебаний.

3.3 Оценка динамического коэффициента.

3.4 Экспериментальная оценка динамических характеристик автомобилей с помощью функций частотной реакции.

Глава 4 Основные виды погрешностей при динамических испытаниях.

4.1 Точность, поперечная чувствительность и погрешности установки вибродатчиков.

4.2 Искажения анимационной картины колебаний.

4.3 Связь показаний датчика с измеряемой физической величиной.

4.4 Погрешности определения статических прогибов с помощью передаточных функций

4.5 Уменьшение погрешностей при оценке постоянных напряжений методом разгрузки.

Глава 5 Технические средства.

5.1 Требования, предъявляемые к техническим средствам.

5.2 Технические средства.

5.3 Метрологическое обеспечение технических средств.

5.4 Программное обеспечение.

Глава 6 Подход к расчётам с использованием динамических характеристик.

6.1 Оценка характеристик пролёта для случая математической модели системы с одной степенью свободы.

6.2 МКЭ - моделирование пролёта с помощью системы СОБМОБМ.

Актуальность темы. Продолжающийся рост автомобильных перевозок при непрерывном обновлении автопарка страны и увеличении грузоподъёмности и мощности автомобилей вызывает увеличение динамической нагруженно-сти мостов, приводит к необходимости их ремонта раньше установленных сроков и требует более точного учёта запасов прочности и долговечности.

Это естественным образом обостряет проблему экспериментальной оценки динамических характеристик пролётных строений методами неразрушающе-го контроля, чтобы повысить полноту и достоверность информации о состоянии сооружения и выйти на. более точную оценку его прочности и долговечности.

Методы проектирования и расчётов в настоящее время также бурно развиваются, расчётные модели становятся всё более сложными, требуют создания новых систем контроля качества расчётов и их экспериментальной проверки.

В то же время экспериментальная оценка динамических характеристик мостов в существующих нормативных документах недостаточно строго регламентирована и специальные технические средства для этой цели не разрабатывались.

Цель работы: создание методики получения динамических характеристик пролётных строений мостов различных конструкций и технических средств для испытаний мостовых сооружений путём вибрационных неразру-шающих методов исследований.

Задачи исследования. Определение набора динамических характеристик, являющихся наиболее стабильными, отражающими напряжённо-деформируемое состояние сооружения. Динамические испытания различных конструкций мостов с получением динамических характеристик и оформлением их в виде электронной базы данных. При необходимости создание технических и программных средств для получения динамических характеристик не-разрушающими методами, с минимизацией человеческого фактора. Демонстрация возможности получения тех же динамических характеристик расчётным путём.

Объектом исследования являлись автодорожные мосты и путепроводы различных конструкций: металлические и железобетонные, в том числе сборные и монолитные; разрезные и температурно неразрезные; с одним или несколькими пролётами; балочные, консольно - подвесные, арочные с ездой поверху.

Методы исследования. Основной метод исследований - экспериментальная оценка данных для вычисления спектров реакций на динамическое на-гружение конструкций мостов с минимизацией шума на выходе и реализации режима управляемого эксперимента со встроенной функцией контроля в цифровом и графическом виде. Реализация режима управляемого эксперимента основана на методах распараллеливания задач ввода - вывода и обработки данных в реальном времени с задействованием аппаратных прерываний и каналов прямого доступа к памяти, что позволило минимизировать влияние человеческого фактора на результаты измерений.

Научная новизна работы.

1. Разработана методика экспериментальной оценки динамических характеристик пролётных строений автодорожных мостов, включающая технические средства и электронную базу данных с целью аппаратурной диагностики мостовых конструкций методами неразрушающего контроля. Впервые получены экспериментальные комплексные спектры реакции пролётного строения на единичное гармоническое воздействие, что позволило повысить полноту и достоверность информации о состоянии сооружения.

2. Впервые с помощью специально созданных технических средств в виде действующего мобильного комплекса вибродиагностики сооружений (МКВС) стало возможным получение матрицы спектров реакции на динамическое нагружение конструкций мостов с минимизацией шума на выходе в автоматическом режиме с отображением результатов в реальном времени и исключением влияния человеческого фактора.

3. В результате исследований взаимодействия транспортных потоков с мостовыми сооружениями на основе настоящей методики были получены динамические характеристики пролётных строений автодорожных мостов и оформлены в виде электронной базы данных, которая является исходным статистическим материалом для оценки технического состояния мостовых сооружений в рамках системы контроля и оценки качества проектирования, строительства, эксплуатации и реконструкции транспортных сооружений.

Практическая ценность работы. Разработанная методика и технические средства позволяют с помощью комплексных передаточных функций производить экспериментальную оценку динамических свойств мостов в частотной области, что используется для получения экспериментально-расчётной оценки напряжённо-деформированного состояния сооружения с возможностью более точного обнаружения дефектов конструкции пролётных строений.

Реализация результатов работы. Разработаны методические рекомендации Росавтодора по вибродиагностике автодорожных мостов, которые содержат: методы вибродиагностики, включая оценку функции частотной реакции; перспективные характеристики технических и программных средств; экспериментальные и теоретические методы анализа и оценки результатов динамических испытаний с использованием экспериментальных передаточных функций. Создан опытный комплекс вибродиагностики строительных сооружений (МКВС) и разработана методическая инструкция МНЗО ОАО ЦНИИС. Методика метрологического обеспечения технических средств вошла в рабочую инструкцию РИ32 ОАО ЦНИИС.

Апробация работы.

Основные положения проведённых исследований и полученных результатов докладывались на научно-технических конференциях и секциях учёного совета ОАО ЦНИИС в 1992 - 2005 годах.

Публикации. По результатам исследования опубликовано 6 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, в котором даётся общая характеристика работы, шести глав, общих выводов и результатов, списка литературы из 42 наименований. Общий объем работы составляет 161 страницу, в том числе 131 страницу основной части, включая 19 таблиц и 82 рисунка.

Общие выводы и результаты

1. Проведён анализ отечественного и зарубежного опыта получения экспериментальных динамических характеристик мостов и сделан вывод о том, что раздельное исследование динамики мостовых конструкций и обращающейся нагрузки даёт более точные данные о состоянии сооружения и позволяет решать более сложные задачи, например, проблему повреждения мостов от неуравновешенных масс локомотивов.

2. На базе теории колебаний проанализированы различные методы получения динамических характеристик, было обращено внимание на то, что качество любого метода нельзя рассматривать в отрыве от технических средств и в качестве базового был выбран метод оценки спектров реакций от единичного синусоидального воздействия с минимизацией шума на выходе (передаточная функция с оценкой случайной погрешности).

3. Впервые для мостовых конструкций получены комплексные экспериментальные спектры реакций от синусоидального единичного усилия с минимизацией шума на выходе (передаточные функции с оценкой случайной погрешности).

4. Установлена связь между динамическими характеристиками пролётных строений и традиционными, статическими характеристиками.

5. Проведены динамические испытания серии из 70-ти мостов разных конструкций в соответствии с действующими нормативными документами с получением семейства передаточных функций, а также откликов на проходящую нагрузку.

6. Создана объектно - ориентированная база данных, объединившая результаты испытаний строительных сооружений для оценки технического состояния мостов в рамках системы контроля и оценки качества проектирования, строительства, эксплуатации и реконструкции транспортных сооружений.

1. Для более качественной иллюстрации настоящей методики, из базы данных выбраны примеры мостов с разными конструкционными особенностями и представлены в настоящей работе с приведением всех существенных этапов испытаний и полученных результатов, в том числе рассмотрен ряд дефектов в связи с их влиянием на передаточные функции.

8. Рекомендованы способы оценки динамического коэффициента с помощью современных технических средств с точки зрения их унификации для последующего совершенствования нормативной базы.

9. Для обеспечения практической ценности работы определены технические характеристики, которым должны удовлетворять средства измерений для получения передаточных функций и создан действующий мобильный комплекс вибродиагностики сооружений (МКВС), позволяющий проводить аппаратурную диагностику мостовых конструкций методами неразрушаю-щего контроля.

Ю.Получение передаточных функций строительных сооружений реализовано в автоматическом режиме при управлении от ПЭВМ, с обработкой экспериментальных данных с оценкой случайной погрешности и отображением результатов в реальном времени, что позволило минимизировать влияние человеческого фактора и повысить полноту и достоверность информации о состоянии сооружения.

11.Разработана методика метрологического обеспечения измерительной лаборатории МКВС, которая вошла в рабочую инструкцию РИЗ2 ОАО ЦНИИС [10].

12.Методика получения передаточных функций мостовых конструкций вошла в состав Методической инструкции МНЗО [5] ОАО ЦНИИС и Методических рекомендаций Росавтодора [4] по вибродиагностике мостов.

13.Выполнены два варианта расчётов пролёта из сборного железобетона. Первый вариант - на базе аналитической модели динамической системы с одной степенью свободы, второй вариант - численный расчёт по МКЭ-модели с помощью системы СОЗМОЗМ. Обе модели дают хорошую сходимость с экспериментальными данными по собственным частотам и удовлетворительную по амплитудам и массе. Улучшение качества расчётных моделей является задачей для дальнейших исследований.

1. База данных лаборатории ВДИ / М., ОАО ЦНИИС.

2. Возможности технологии вибродиагностики строительных объектов различного назначения. / Звягинцев А.Н., Павлов Е.И., Труды ЦНИИС, вып. №202, Динамические испытания строительных материалов, конструкций и сооружений М.: ЦНИИС, 2000.

3. ГОСТ 25.101-83 Расчёты и испытания на прочность. Методы схематизации случайных процессов нагружения элементов машин и конструкций и статистического представления результатов.

4. Динамика сооружений. / Клаф Р., Пензиен Дж., М., 1979.5. «Динамическая диагностика автодорожных мостов и других типов сооружений», Методическая инструкция МН30, редакция 3, М, ОАО ЦНИИС, 2003 г.

5. Динамическая диагностика и идентификация дефектов мостов, зданий и сооружений на базе передвижного комплекса технических средств. / Звягинцев А.Н., Кашаев С.К. Новак Ю.В., Павлов Е.И. и др., МАСКАН №9, Ташкент, 1991.

6. Динамические испытания сталежелезобетонного моста через р. Клязьма у г. Павловский Посад. / Новак В.В., Новак Ю.В., Павлов Е.И., Труды ЦНИИС, вып. №202, Динамические испытания строительных материалов, конструкций и сооружений М.: ЦНИИС, 2000.

7. Динамические испытания строительных материалов, конструкций и сооружений. Труды ЦНИИС. Вып. 202. М., ЦНИИС, 2000.

8. Динамические коэффициенты металлических балочных пролётных строений железнодорожных мостов / Н.Н Максимов, И.И. Казей, А.И. Муров, СССР-НКПС, Трансжелдориздат, М, 1939. 198с.

9. Измерения напряжений в железобетонных конструкциях / JI.M. Фоми-ца, P.A. Сумбатов. К.: Буд1вельник, 1994. - 168 с.13.«Инструкция ФДД РФ по диагностике мостовых сооружений на автомобильных дорогах» от 24.02.1996 г.

10. Информационно измерительная система. / Павлов Е.И., Ивановский А.Б., Труды ЦНИИС, вып. №202, Динамические испытания строительных материалов, конструкций и сооружений - М.: ЦНИИС, 2000.

11. Информационно измерительная система. / Павлов Е.И., Труды конференции: Сейсмостойкость крупных транспортных сооружений в сложных инженерно - геологических условиях, Часть 2 - М.: АО ЦНИИС, 1999.

12. Лаборатория вибродинамических испытаний. 20 лет в науке. М., ЦНИИС, 2001, с.24.17.«Методические рекомендации по вибродиагностике автодорожных мостов», Росавтодор, распоряжение № 2166-Р от 07.08.01 г.

13. Методы и средства натурной тензометрии: Справочник / М.Л. Дайчик, Н.И. Пригоровский, Г.Х. Хуршудов. М.: Машиностроение, 1989. -240 с.

14. Основы динамики сооружений / С.А. Бернштейн, Госстройиздат, 1938.20.0сновы динамического расчёта балочных металлических мостов / С.А. Ильясевич, Госмашметиздат, 1934.

15. Основы теории и элементы систем автоматического регулирования. / В.В. Солодовников, В.Н. Плотников, A.B. Яковлев М.: Машиностроение, 1985.22.«Поверка и калибровка измерительной системы МКВС» Рабочая инструкция РИ32, редакция 2, М., ОАО ЦНИИС, 2003 г.

16. СН 2.2.4/2.1.8.566-96 Производственная вибрация. Вибрация в помещениях жилых и общественных зданий. Санитарные нормы. / Минздрав России, М., 1997.

17. СНиП 2.01.07-85. Нагрузки и воздействия. / Госстрой СССР. М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1987. - 36с.

18. СНиП 2.05.03-84*. Мосты и трубы. / Госстрой России. М.: ГУП ЦПП, 1996.-214 с.

19. СНиП 3.06.07-86. Мосты. Правила обследований и испытаний. / Госстрой СССР. М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1987. - 40 с.

20. Экспериментальная механика: В 2-х кн. / Под ред. А. Кобаяси. М., Мир, 1990.

21. ЗГА mathematical treatise on vibrations in railway bridges / Inglis, Cambridge, 1934.

22. American Railway Engineering Association №380, октябрь 1935.

23. Bridge vibration study. MTS Research and Development Report RR172 / T.I. Campbell, A.C. Agarwal, P.F. Csagoly, Ontario Ministry of Transportation and Communications, Downsview, Ontario, 1971.

24. Briickeninspektion mittels dunamischer Untersuchungen / Von R. Flesch, K. Kernbichler, P. Griibl, VDI-Berichte №514, 1984.

25. Dynamic load tests on highway bridges in Switzerland. Report №211 / R. Canteni, Eigenossishe Material prufungs und Versuchanshalt (EMPA), Dubendorf, Switzerland, 1983.

26. Dynamic loading and testing of bridges in Ontario / J.R. Billing, Civ. Eng., 11,833-843, Canada, 1984.

27. Dynamic test of bridges in Ontario 1980: Data capture, test procedures and data processing. MTC Research and Development Report SRR-82-02 / J.R. Billing, Ontario Ministry of Transportation and Communications, Downs-view, Ontario, 1982.

28. Static and Dynamic Tests of Concrete Bridge / Peter K.K. Lee, M. Asce, Duen Ho, Hung-Van Chung, Journal of Structural Engineering, V. 113, 1, 87, CTp. 61-73.

29. The Ontario highway bridge design code / Ministry of Transportation and Communications, Downsview, Ontario, Canada, 1979.

30. The Structural Use of Concrete, CP 110, part 1 / British Standards Institution, London, England, 1972.

31. Higway bridge vibrations, Part II. Ontario test programme. Ontario Joint Highway Research Programme Report №5 / D.T. Wright, R. Green, Queen's University, Kingston, Ontario, 1964.

32. Vibration of solids and structures under moving loads / L. Fryba, Noordhoff International Publishing, Groningen, 1972.