автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Оценка технического состояния сталежелезобетонных пролетных строений железнодорожных мостов по динамическим параметрам

И84602301

На правах рукописи

Т

ЦВЕТКОВ Дмитрий Николаевич

ОЦЕНКА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ СТАЛЕЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ПРОЛЕТНЫХ СТРОЕНИЙ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ МОСТОВ ПО ДИНАМИЧЕСКИМ ПАРАМЕТРАМ

Специальность 05.23.11 «Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей» (технические науки)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 О МАП 2010

Новосибирск - 2010 г.

004602301

Работа выполнена на кафедре «Мосты» ГОУ ВПО «Сибирский государственный университет путей сообщения (СГУПС)».

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Бокарев Сергей Александрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Попов Анатолий Михайлович,

кандидат технических наук, доцент Картопольцев Андрей Владимирович

Ведущая организация: Государственное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

«Тихоокеанский государственный университет»

Защита состоится «02» июня 2010 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета ДМ 218.012.01 при ГОУ ВПО «Сибирский государственный университет путей сообщения» по адресу: 630049, Новосибирск, ул. Дуси Ковальчук, 191, e-mail: lvs@stu.ru, тел. (383)3280402, факс (383)2267978, зал заседаний диссертационных советов - ауд. 224.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СГУПСа.

Автореферат разослан «Запрел? 2010 г.

Отзывы на автореферат диссертации, заверенные печатью, в двух экземплярах просим направлять по указанному адресу диссертационного совета.

Ученый секретарь А

диссертационного совета ¡1 канд. техн. наук, доц. Л.Ю. Соловьев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. На сети железных дорог России эксплуатируется более семисот сталежелезобетонных железнодорожных пролетных строений, выполненных по различным типовым проектам. Особенностью этих конструкций является совместная работа стальных балок и железобетонной плиты балластного корыта, объединяемой с главными балками при помощи упоров. Для этих конструкций характерно образование дефектов, вызванных нарушением технологии производства работ при омоноличивании поперечных швов железобетонной плиты. За время эксплуатации (а сейчас средний срок службы таких сооружений составляет 35 лет) в пролетных строениях проявились повреждения (выщелачивание, морозное разрушение, трещины т.п.) и отклонения от требований нормативных документов по их содержанию (недопустимые значения эксцентриситета пути, толщины балластной призмы и др.). Указанные дефекты, повреждения и отклонения могут оказывать существенное влияние на несущую способность и долговечность сооружения.

Оценка технического состояния сталежелезобетонных пролетных строений железнодорожных мостов по действующим нормативным документам требует выполнения большого комплекса работ по их обследованию и испытанию. Эксплуатирующим организациям для обеспечения безопасного и бесперебойного пропуска поездов без ограничения скоростей их движения необходимо оперативно выявлять возникающие в конструкциях неисправности.

Таким образом, исследования, направленные на разработку экспресс-метода оценки технического состояния сталежелезобетонных пролетных строений железнодорожных мостов, снижающего трудоемкость работ и позволяющего оперативно выявлять дефектные пролетные строения, несомненно, актуальны.

Цель н задачи исследования. Целью исследования является совершенствование оценки технического состояния эксплуатируемых сталежелезобетонных пролетных строений железнодорожных мостов на основе анализа их динамических параметров. Для достижения намеченной цели необходимо решить следующие задачи:

- разработать методику определения динамических параметров сталежелезобетонных пролетных строений железнодорожных мостов, алгоритмы и программное обеспечение для обработки результатов измерения характеристик их колебания;

- провести испытания сталежелезобетонных пролетных строений железнодорожных мостов, для определения фактических величин динамических параметров пролетных строений, находящихся в различном техническом состоянии;

- разработать численные модели сталежелезобетонных пролетных строений железнодорожных мостов для определения теоретических граничных значений динамических параметров;

- определить граничные значения динамических параметров сталежелезобетонных пролетных строений железнодорожных мостов, соответствующие исправному или неисправному состоянию, с учетом особенностей их работы и накопленных повреждений;

- разработать методику экспресс-оценки технического состояния сталежелезобетонных пролетных строений железнодорожных мостов по динамическим параметрам.

Научная новизна работы:

1. Впервые по результатам испытаний большого числа эксплуатируемых сталежелезобетонных пролетных строений железнодорожных мостов установлены количественные зависимости между величиной динамических параметров и интенсивностью накопленных неисправностей (дефектов, повреждений и отклонений от норм содержания).

2. На основе натурных испытаний и численного моделирования определены граничные значения динамических параметров сталежелезобетонных пролетных строений железнодорожных мостов, сравнение с которыми позволяет установить наличие неисправностей и их влияние на техническое состояние пролетных строений.

3. Обоснована возможность применения импульсного воздействия малой интенсивности для определения первой собственной частоты колебаний сталежелезобетонных пролетных строений.

Достоверность полученных результатов подтверждена результатами натурных исследований эксплуатируемых пролетных строений и корректным использованием теоретических и численных методов решения задач динамики сооружений (методом конечных элементов).

Практическая ценность и внедрение. Результаты исследований диссертационной работы использованы при разработке «Методики обследования и инструментальной диагностики сталежелезобетонных пролетных строений» (утверждена ОАО «РЖД» в 2008 г.). предложенная методика позволяет оперативно выполнить предварительную оценку технического состояния сталежелезобетонных пролетных строений железнодорожных мостов, давая ответ на вопрос — есть ли в конст-

рукции дефекты и повреждения, существенно снижающие ее несущую способность? При использовании методики учитываются особенности конструкции пролетных строений и некоторые параметры мостового полотна с ездой на балласте. Оценка технического состояния сталеже-лезобетонных пролетных строений железнодорожных мостов по динамическим параметрам внедрена и применяется при проведении работ на Красноярской, Восточно-Сибирской и Дальневосточной железных дорогах. Результаты исследований, выполненных автором, используются в учебном процессе высших учебных заведений при изучении дисциплины «Обследование и испытание мостов».

Апробация работы. Основные положения диссертационного исследования были доложены и обсуждены на:

- LXVI Международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта» в Днепропетровске, 11-12 мая 2006 г.;

- Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы Транссиба на современном этапе. Кадровое и научно-техническое обеспечение процессов интеграции в мировую транспортную систему» в Новосибирске, 29-30 ноября 2007 г.;

- 65-й Всероссийской научно-технической конференции НГАСУ (Сибстрин) «Актуальные проблемы строительной отрасли» в Новосибирске, 8-10 апреля 2008 г.;

- VII Международной научно-практической конференции «Проблемы прочности материалов и сооружений на транспорте» в Санкт-Петербурге, 23-24 апреля 2008 г.;

- XXI Всероссийской конференции «Численные методы решения задач теории упругости и пластичности» в Кемерово, 30 июня - 2 июля 2009 г.;

- объединенном научном семинаре семи кафедр СГУПСа в Новосибирске, 9 апреля 2010 г.

По теме диссертации опубликовано 12 работ.

На защиту выносятся:

1. Методика оценки технического состояния сталежелезобетон-ных пролетных строений железнодорожных мостов по динамическим параметрам.

2. Оценка и определение граничных значений динамических параметров сталежелезобетонных пролетных строений железнодорожных мостов, соответствующих исправному или неисправному состояниям.

3. Количественная зависимость между величиной первой частоты собственных колебаний сталежелезобетонных пролетных строений железнодорожных мостов и наличием повреждений в швах железобетонной плиты балластного корыта с учетом особенностей конструкции и параметров мостового полотна.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа изложена на 124 страницах, содержит 52 рисунка и 22 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе диссертации выполнен анализ технического состояния сталежелезобетонных пролетных строений, эксплуатируемых на железных дорогах России, и существующих методов его оценки. Приведены сведения о методах оценки технического состояния по действующим нормативным документам и экспериментальным методикам, использующим динамический отклик конструкции.

Основополагающими в области изучения работы и расчетов сталежелезобетонных пролетных строений являются работы H.H. Стрелецкого. Также проблемы эксплуатации искусственных сооружений отражены в трудах И.Ю. Белуцкого, В.А. Быстрова, Э.М. Гетмана, П.П. Ефимова, В.М. Картопольцева, A.B. Картопольцева, A.A. Потапкина, Б.Н. Смышляева, Л.Ю. Соловьева, H.JI. Чернова, В.А. Цирулева и др. Вопросы оценки технического состояния искусственных сооружений отражены в работах И.Ю. Белуцкого, С.А. Бокарева, П.П. Ефимова,

A.A. Поречина, Б.Н. Смышляева, В.А. Цирулева и др.

Вопросам исследования динамического воздействия временной нагрузки на мосты и определению динамических параметров сооружений также посвящены работы А.Г. Барченкова, Н.Г. Бондаря, Е.Е. Гибшма-на, С.А. Ильясевича, И.И. Казея, Я.Г. Пановко, и др. Значительный вклад в изучение динамических воздействий на мосты в разное время внесли отечественные ученые Ю.В. Архипенко, С.А. Бернштейн, В.А. Быстрое, А.И. Васильев, Г.К. Евграфов, А.Н. Звягинцев, A.B. Карто-польцев, В.М. Картопольцев, Ю.Г. Козьмин, Ю.Н. Новак, Е.И. Павлов,

B.П. Польевко, A.A. Сергеев, МЛ. Хазанов, а также зарубежные ученые А.К. Chopra, S.E. Ingles, L. Fryba и др.

Идея использования монолитно связанных металлических балок с железобетонной плитой впервые была высказана в 1935 г. Э. Фрейсине (Freyssinet). В 1939-1940 гг. в Швейцарии была разработана конструкция металлической двутавровой балки, объединенной при помощи

спирали, приваренной к верхнему поясу балки, с железобетонной плитой. С 1939 г. начались углубленные экспериментальные и теоретические исследования работы объединенных конструкций.

В Германии, СССР, Швейцарии, Чехословакии и других странах были опубликованы работы, содержащие материалы опытных и теоретических исследований.

В 1961-1963 гг. утверждены первые нормативные документы по проектированию сталежелезобетонных пролетных строений, а в 1965 г. опубликована монография H.H. Стрелецкого «Сталежелезо-бетонные мосты».

При строительстве железнодорожных мостов сталежелезобетон-ные пролетные строения стали широко применяться начиная с середины 70-х гг. прошлого столетия, когда институтом Гипротрансмост был разработан типовой проект 3.501-49 инв. № 739 «Металлические железнодорожные пролетные строения с ездой поверху на балласте пролетами 18,2-66,0 м в северном исполнении». Проект был утвержден в 1969 г.

Анализ результатов обследований и периодических осмотров, проводимых сотрудниками железных дорог, ответственных за эксплуатацию искусственных сооружений, показывает, что значительная часть сталежелезобетонных пролетных строений железнодорожных мостов имеет различные дефекты и повреждения несущих конструкций. На рис. 1 приведена диаграмма распределения количества (в процентах) пролетных строений с неисправностями для различных длин пролетов по типовому проекту 3.501-49 инв. № 739.

Выявлено, что до 20 % сталежелезобетонных пролетных строений имеет дефектные стыки объединения железобетонных плит балластного корыта. Повреждения швов объединения плиты являются основной причиной снижения несущей способности пролетного строения. Визуальный контроль состояния элементов сооружений не всегда позволяет получить достоверную информацию о степени включения железобетонной плиты в совместную работу конструкции. Разработанные в последнее время способы оценки несущей способности пролетных строений методом классификации по грузоподъемности трудоемки. При их реализации необходимо провести обследование и статические испытания пролетного строения, выполнить значительные по объему расчеты, привлекая высококвалифицированных специалистов. В связи с этим возникает необходимость разработки менее трудоемкой и, самое глав-

ное, оперативной оценки технического состояния сталежелезобетон-ных пролетных строений.

Специалисты в области динамики сооружений уже давно обнаружили, что динамический отклик конструкции содержит всю необходимую информацию, характеризующую ее состояние. В 70-х гг. прошлого столетия появились полевые акселерометры с компьютерной обработкой результатов измерений. Особенно заметный прорыв в этом направлении произошел в 90-х гг. прошлого столетия, когда были созданы мощные портативные компьютеры. Исследования по идентификации динамических параметров эксплуатируемых сооружений нашли довольно полное отражение в материалах симпозиума Международной ассоциации по мостам и конструкциям (IABSE) в 1995 г. в Сан-Франциско. Оценка колебаний системы под воздействием внешних нагрузок стала возможным и доступным инструментом инженеров-практиков.

В нашей стране был также проведен ряд исследований, посвященных оценке технического состояния по параметрам динамического отклика конструкции. Одной из первых работ в этом направлении можно считать работу A.B. Картопольцева, в рамках которой была разработана методика определения динамических параметров пролетных строений автодорожных мостов по результатам испытаний. Созданный аппаратно-программный комплекс, использующий в качестве основного регистрирующего устройства вибродатчик-акселерометр, можно применять для оценки как свободных, так и вынужденных колебаний пролетных строений.

В лаборатории ВДИ ИЦ ЦНИИС-ТЕСТ разработана методика вибродиагностики мостовых конструкций автодорожных мостов, в основе которой заложен принцип активной вибродиагностики. Оценка технического состояния осуществляется сравнением результатов расчетного и экспериментального анализа динамической реак-

55,0 м; 22%

23,0 м; 50%

45,0 м; 85%

27,0 м; 66%

33,6 м; 47%

Рис. 1. Распределение дефектных пролетных строений по длинам пролетов

ции сооружения на гармоническое динамическое воздействие в низкочастотном диапазоне собственных форм колебаний.

МЛ. Хазановым создана компьютерная измерительная система для испытания мостовых конструкций «КИС_ИМИДИС». Для извлечения из данных испытаний динамических параметров система использует программу спектрального анализа «Спектр».

Во второй главе приведены результаты натурных экспериментальных исследований сталежелезобетонных пролетных строений эксплуатируемых железнодорожных мостов. Начиная с 2003 г. в рамках работ по инвестиционной программе ОАО «РЖД» автором совместно с сотрудниками лаборатории «Мосты» СГУПСа были освидетельствованы все 29 сталежелезобетонных пролетных строения Красноярской железной дороги. В процессе научно-исследовательских работ на Дальневосточной и Восточно-Сибирской железных дорогах освидетельствовано 232 пролетных строения. Таким образом, в период с 2003 по 2008 гг. были проведены испытания 261 сталежеле-зобетонного пролетного строения. Распределение пролетных строений по длинам расчетных пролетов показано на рис. 2. Все испытанные сталежелезобетонные пролетные строения изготовлены по типовому проекту 3.501-49 инв. № 739.

120 -

£ юо

а

& I

I

70

60 ■ 44

40 ■

20 - 3 т 19 10 т

0 - - 1 1 1

18,2

23,0

27,0 33,6 Пролет, м

45,0 55,0

Рис. 2. Распределение пролетных строений по длинам пролетов

Перед испытанием проводили обследование каждого пролетного строения с целью выявления неисправностей и оценки его технического состояния. Во время испытаний с помощью тензодатчиков измеряли деформации в верхних поясах стальных балок и ускорения точек нижнего пояса в середине пролета. Сравнение напряжений, полученных по измеренным деформациям, с их расчетными значе-

ниями от испытательной нагрузки позволили объективно оценить степень включения железобетонной плиты в совместную работу со стальными балками.

Для записи контролируемых во время испытаний параметров применяли измерительную систему (ИС) «Тензор МС», имеющую в своем составе тензодатчики и вибродатчики-акселерометры. ИС «Тензор МС» (рис. 3) разработана в СГУПСе, зарегистрирован в Государственном реестре средств измерения и имеет сертификаты Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии RU.С.27.007.А № 31740 и RU.C.34.007.A № 32603. Измерительный блок системы имеет восемь каналов для подключения датчиков и состоит из электронного контролера и модуля передачи данных Bluetooth. Управление системой и сохранение данных осуществляется командами карманного компьютера.

а) б)

Рис. 3. Измерительнаяй система «Тензор МС»: а - общий вид; б - датчики, установленные на элементах балки; / - карманный компьютер; 2 - блок сбора информации;

3 - тензодатчики; 4 - вибродатчики-акселерометры

Автором предложено для оценки технического состояния в качестве параметра использовать величину первой собственной частоты колебаний пролетного строения. Для идентификации частот по записанным виброграммам ускорений применяли так называемый метод отбора пиковых значений (в английской терминологии - peak picking method). В рамках этого метода для построения спектральных оценок автором были проанализированы, а потом реализованы в виде программных модулей ИС «Тензор МС» два метода - метод периодограмм и метод Уэлча (Welch). Графики спектров, построенные на основе перечисленных методов для одного и того же сигнала, показаны на рис. 4.

а)

24.26 -

0.00

Г»

8.00 2.« 4.92 7.38 9.83 12.29 14.75 17.21 19.67 22.13 24.53 27.04 29.58 3196 34.42 36.88 39.34 41,73 44,25 46.71 49.97 Частота

При использовании метода периодограмму спектральные оценки виброграмм получаются достаточно богатыми, т.е. имеют несколько выраженных пиков в области низкочастотных колебаний. Это иллюстрирует рис. 4, а. Вычисление по методу Уэлча позволяет уменьшить дисперсию оценки (см. рис. 4, б) и более точно выделить частоты, соответствующие наибольшей энергии колебаний.

В процессе отладки методики измерений чувствительность акселерометров ИК «Тензор МС» была повышена до уровня, позволяющего фиксировать ускорения при колебаниях пролетного строения, вызванных слабым импульсным воздействием, эквивалентным падению сосредоточенного груза массой 80-100 кг с высоты 30-50 см. Виброграммы, полученные записью колебаний от импульсного воздействия (рис. 5, а), обладают спектральной характеристикой (рис. 5, б), позволяющей однозначно определить значение первой собственной частоты. Записанные после прохода поезда виброграммы (рис. 5, е) обладают более изрезанным спектром (рис. 5, г), что затрудняет идентификацию первой собственной частоты, а в некоторых случаях делает такую идентификацию невозможной.

б)

5(147

7.34 3.73 12.24 М.Б8 17.13 13.5В 22.03 24.47 26.Э2 23.37 3182 34.26 36.71 33.16 41.61 Частота

Рис, 4. Графики спею ров; а - периодограмма сигнала; б - метод Уэлча

Как известно, на частоту собственных колебаний балок, помимо их жесткости, оказывает влияние и масса конструкции. На железнодорожных пролетных строениях для одного и того же пролета масса конструкции может быть различной при различной толщине уложенного балласта.

а) б) »Ас3

1186100

7,37

м/с- ч»12-« I

О.ОО 2.«5 4.в9 7.34 9.73 12.2« К.ей Частота

Рис. 5. Виброграммы при различных видах воздействия: График сигнала (а) и спектр (б) от импульсных воздействий;

График сигнала (в) и спектр (г) во время прохода поезда

На рис. 6 сплошными линиями показаны значения первой частоты собственных колебаний, определенные расчетом по методу конечных элементов для исправных пролетных строений всех пролетов, входящих в состав типового проекта инв. № 739, для толщины балласта 25 см, 35 см (проектное значение) и 65 см. На этом же рисунке квадратными маркерами нанесены измеренные на исправных пролетах частоты. Сравнение графиков позволяет утверждать, что измеренные частоты не выходят за интервал, установленный расчетными значениями. Подробное описание конечно-элементных моделей, физико-механических характеристик материалов и способов описания элементов мостового полотна и верхнего строения пути дано в главе 3.

12

Толщина балласта: —»- 25 см 35 см —65 см

( Исправные пролетные строения

35,0 45.0 Пролет, м

Рис. 6. Значения первой собственной частоты при различной толщине балласта для исправных пролетных строений

Основной целью экспериментальных исследований было установление зависимости между наличием повреждений в железобетонной плите и изменением величины первой собственной частоты. На рис. 7 приведены значения первой собственной частоты для неисправных пролетных строений, напряжения в верхних поясах которых по результатам статических испытаний превышали расчетные значения от испытательной нагрузки при проектной жесткости (показаны треугольными маркерами) и частоты исправных пролетных строений (показаны квадратными маркерами).

6,50

6,00

5,50

5,00

1_

гп" 4,50

& 4,00

3,50

з.ао

2,50

2,00 -

*

1

г- 1-

■ ■

• & ■

Расчетные значения для пр о летных стр оений: —♦— исправных « неисправных

Измеренные значения для пролетных строений: ■ исправных а неисправных

Граница исправного состояния

55,0

23,0 27,0 33,6 45,0

Пролет,м

Рис. 7. Зависимость частоты от толщины балласта на пролетных строениях с расчетной длиной ¿р = 27,0 м На графике рис. 7 достаточно четко выделяется область, соответствующая исправному состоянию конструкций. Частоты исправных пролетных строений располагаются в зоне, не превышающей 15 %

расчетных значений для толщины балласта, равной 35 см. В то же время частоты неисправных пролетных строений практически сов-падаютс расчетными значениями для неисправных конструкций (имеющих по результатам обследования значительные повреждения в плите). Анализ результатов измерений свидетельствует о существовании количественной зависимости между наличием повреждений в плите и величиной первой собственной частоты.

В третьей главе представлены результаты численного моделирования методом конечных элементов сталежелезобетонных пролетных строений при определении динамических параметров.

Собственная круговая частота и собственная мода колебаний находятся из решения уравнения колебаний (1), в котором демпфирование и внешние силы зануляются, что приводит к виду:

№}+№}={0}. (1)

Исключение демпфирования допустимо, если коэффициент демпфирования мал, что справедливо для большинства строительных конструкций. Решение уравнения (1) может быть записано в виде:

[и} = { ф„} 5ш(ю„0. (2)

Подставив уравнение (2) в (1), справедливое для любого момента времени ?, получим общую проблему собственных значений в виде:

(М-со„2[т]) { фя} = {0} . (3)

Проблема собственных значений имеет нетривиальное решение, когда определитель матрицы, стоящей слева в выражении (3), равен нулю:

с1е«М-а)Лт]) = 0. (4)

Уравнение (4) является характеристическим уравнением системы, из которого должны быть определены <р„ и го„. Вектор <р,- называется вектором 1-й собственной формы, со,- - соответствующая частота колебаний, рад/с. Частота собственных колебаний конструкции /„ связана с собственной круговой частотой со„ выражением

/я = оз„/2я= \/Т„. (5)

Количество собственных частот равно количеству степеней свободы дискретной системы, в то время как сама конструкция имеет бесконечное число собственных частот.

В то же время подстановка уравнения (2), преобразованного к обобщенным перемещениям }, в уравнение (1) и умножение слева на [Ф]гприводит к уравнению равновесия относительно {#}

[ф]гМ[ФШ+№1ФЫ={О}. (6)

Это уравнение можно переписать в виде:

№}+МЫ={о}, (?)

где [М] и [АГ] - диагональные матрицы, такие, что векторы собственных форм {ер,,} должны удовлетворять условиям ортогональности при со„ Ф со,:

{фпГ[Ж<р5}=0и{(р„}т[Л/]{ф5}=0. (8)

Если эффект демпфирования не учитывается, то (7) можно переписать:

Мп дп+ Кп = 0, (9) где с учетом условия ортогональности (8) выражения для матриц будет иметь вид

Мй= { Ф„ Г [Л/] { ср„} , (10)

^={ф„ГМ{фЛ- (П)

Разделив уравнение (9) на Мю получим

Яп+Фп={0}- (12)

Выражение (12) представляет собой п отдельных уравнений

й + 0}, (13)

где г = 1,2,..., п.

В выражении (13) г-е уравнение представляет собой уравнение равновесия системы с одной степенью свободы с единичной массой и жесткостью со,2.

Решение каждого уравнения (13) получается с использованием алгоритмов пошагового интегрирования или методом итераций в подпространстве. Последний является наиболее эффективным методом решения общей задачи собственных значений.

Для уточнения решения системы (13) автором предложено использовать результаты экспериментальных измерений для итерационного уточнения параметров жесткости и массы конструкции.

Для определения расчетных значений собственных частот колебаний пролетных строений / использован метод конечных элементов. Конечно-элементные модели (КЭ-модели) для решения задачи в объемной постановке (рис. 8, а, б) построены в среде Co.smo.sm.

Стержневая модель (рис. 8, в) создана для расчета по программе Midas Civil. Для проверки возможности адаптации КЭ-модели по измеренным значениям собственной частоты и массы были использованы результаты измерений на одном из пролетных строений с расчетным пролетом Lp = 27,0 м. Экспериментальное значение первой собственной частоты, измеренное на этом про-летном строении, равно/| = 5,75 Гц. Численные эксперименты проводили на модели 5, обладающей явным преимуществом по сравнению с моделями / и J по времени счета. В первую очередь провели численные эксперименты по оценке влияния изменения жесткости и массы элементов конструкции на величину первой собственной частоты.

Модель / и 2 | 25058 конечных элементов 38028 узлов

Модель Зш4 Mgf. 4 а ч щ, ... 4 Р 37920 конечных элементов 73318 узлов

1

Модель 5 и б X 1 @駧§ 300 конечных элементов 101 узел

Рис. 8. Конечно-элементные модели пролетного строения

Были проведены серии расчетов с различным значением массы пролетного строения, начальное значение которой соответствовало измеренной толщине балласта и равнялось 110 т (плотность балласта р = 2 т/м3). Вторым варьируемым параметром была условная жесткость конечных элементов в швах омоноличивания плиты Ех/С, которая в табл. 1 показана как отношение модуля упругости металла к модулю упругости материала шва. Результаты расчетов (табл. 1) показывают, что значение частоты /, = 5,75 Гц достигаются при двух сочетаниях варьируемых параметров. В первом сочетании масса т

составляет 95 т, а значение Е^. = 6,7. Второе сочетание — т = 93 т, а значение Е5/с = 20. Но в первом случае расчетные напряжения в верхнем поясе 0Р = -10,6 МПа практически совпадают с измеренными аи = -9,2 МПа, в то время как второй дает отклонение по напряжениям почти в два раза. При массе пролетного строения 110 т получить совпадение по частоте не удалось ни при каком значении Ех/с.

Таблш!а 1

Результаты расчета с различной жесткостью материала швов

Условная жесткость швов £,/г 6,7 12 20 58 73

Частота, Гц, при т = 93 т 5,81 5,79 5,75 5,75 5,75

Частота. Гц, при т = 95 т 5,75 5,73 5,71 5,68 5,68

Частота, Гц, при т = 110 т 5,36 5,34 5,32 5,30 5,29

Напряжение а„, МПа -10,6 -15,8 -19,8 -25,7 -26,5

Расчеты, выполненные со значениями массы пролетного строения т = 95 т и Е^с = 6,7 (табл. 2) показали, что значение первой собственной частоты изменяется в зависимости от способа моделирования балласта, а попытка более точного описания особенностей конструкции с помощью более тщательной проработки деталей в моделях 1 и 3 не приводит к повышению точности определения собственных частот, в то время как более простая модель, составленная из балочных конечных элементов, дает практически совпадающее с измеренным значение первой собственной частоты колебаний/1 = 5,75 Гц.

Таблица 2

Результаты расчета исправного пролетного строения

Первая частота собственных колебаний, Гц

Модель 1 Модель 3 Модель 5 Измерение

5,52 5,13 5,75 5,75

С использованием модели 6 определено значение первой собственной частоты для пролетного строения (¿р = 27,0 м) с повреждениями железобетонной плиты в виде разрушения бетона в четвертом шве (середине пролета). Варьируемыми параметрами были: условный модуль упругости материала дефектного шва и степень включения в совместную работу с главными балками элементов верхнего строения пути. Степень включения учитывалась уменьшением модуля упругости конечных элементов, моделирующих рельс Е5 от Е, = 2,Обе5 МПа до Е, = 2,Обе3 МПа. Критерием соответствия модели и исследуемого объекта (пролетного строения с повреждением в плите) было совпадение расчетных и экспериментальных значений напряжений в верхнем поясе металлической балки в сече-

нии под разрушенным швом о = -58,8 МПа и первой собственной частоты/1 = 3,59 Гц. На рис. 9 приведено графическое изображение результатов расчета.

Условный модуль упругости Ее/с

Модуль упругости Е$у МПа

—*—Е5=2,06ХК?; -я—ец=2,06х1с$ -Чк-Е^.ОбхЮ3

-58,8 МПа

Рис. 9. Графики изменения напряжений в зависимости от условной жесткости материалов шва и рельсов

Вывод о целесообразности применения той или иной модели для анализа частот собственных колебаний пролетного строения с повреждением в швах можно сделать, сравнив данные табл. 3. Наиболее точное совпадение с измеренным значением частоты дает модель 6, в то время как модели 2 и 4, завышают или занижают частоту колебаний.

Таблица 3

Результаты расчета пролетного строения с повреждением

Первая частота собственных колебаний, Гц

Модель 2 Модель 4 Модель б Измерение

4,13 2,87 3,64 3,59

С использованием модели 5 получены значения первой собственной частоты /1 для пролетных строений всех пролетов, входящих в типовой проект инв. № 739 в зависимости от толщины слоя балласта на пролетном строении /;6. Расчеты выполнены для Ив, равной 25, 35, 50 и 65 см. На рис. 10 приведены графики изменения частот /1 для пролетного строения Ц, = 27,0 м в зависимости от толщины балласта для исправного и неисправного состояния конструкции.

6,5 6

5,5 -г 5-¡5 4,5 -

3 — 2,5 — 2 — 20

Рис. 10. Зависимость частоты от толщины балласта

В четвертой главе приведена методика экспресс-оценки технического состояния по динамическим параметрам. Методика предназначена для инструментальной диагностики и оценки технического состояния сталежелезобетонных разрезных балочных пролетных строений железнодорожных мостов при проведении всех видов осмотров, экспресс-диагностики, а также может применяться при приемочных испытаниях вновь построенных и реконструируемых мостов.

Методика обследования и инструментальной диагностики базируется на сопоставлении параметров расчётного и экспериментального отклика (реакции) сооружения на динамическое воздействие от внешней нагрузки.

Определению подлежат частоты собственных вертикальных и поперечных горизонтальных колебаний пролетного строения. Рекомендуемой для измерения величиной является ускорение элементов пролетного строения при свободных колебаниях после схода нагрузки с сооружения или после кратковременного динамического воздействия на конструкцию груза малой массы.

Для определения динамических характеристик эксплуатируемых пролетных строений используют записанные во время динамических испытаний виброграммы ускорений, полученные по результатам измерения процесса колебаний либо после схода поезда, либо после вертикального импульсного воздействия малой интенсивности.

Признаком наличия неисправностей является уменьшение величины первой частоты собственных колебаний конструкции по сравнению с ее значением для исправной конструкции.

- Исправное пролетное строение

- Неисправное пролетное строение

40 60

Толщина балласта, см

Для выполнения измерений целесообразно применять автоматизированные измерительные системы, имеющие в своем составе акселерометры для записи колебаний.

Акселерометры устанавливают в середине пролета на нижнем (или верхнем) поясе одной из металлических балок.

Для возбуждения процесса колебаний конструкции рекомендуется прикладывать импульсное воздействие сосредоточенного груза малой массы 80-100 кг в середине пролетного строения в трех местах — слева и справа с эксцентриситетом по отношению к оси пролетного строения и по оси пролетного строения внутри рельсовой колеи.

Собственные частоты колебаний пролетного строения определяются по графику спектральной плотности сигнала, полученного от вибродатчика. Значения собственных частот соответствуют максимумам функции спектральной плотности и отражаются в виде пиковых значений на графике функции.

Перед определением частотных характеристик записанные виброграммы необходимо предварительно обработать для удаления тренда, высокочастотных составляющих, шумов и случайных выбросов.

Полученные при испытаниях акселерограммы колебаний обрабатывали с помощью программных средств измерительного комплекса «Тензор МС». Обработка виброграмм осуществлялась с использованием методов анализа случайных процессов вычислением функции спектральной плотности. Собственные частоты определяли по пиковым значениям функции спектральной плотности мощности, для построения которой был применен метод Уэлча (Welch).

Последовательность определения диагностируемых параметров:

1. Установка элементов измерительного комплекса на пролетном строении.

2. Определение толщины балласта на пролетном строении.

3. Проведение измерений при импульсных воздействиях малой интенсивности. Запись виброграмм в память компьютера.

4. Обработка результатов измерений. Определение первой собственной частоты.

5. Сравнение величин измеренной и расчетной частот собственных колебаний с учетом толщины балластного слоя.

6. Заключение о техническом состоянии пролетного строения.

Экономическая эффективность от внедрения методики складывается из следующих показателей:

• снижения трудозатрат при проведении оценки технического состояния пролетных строений за счет исключения некоторых видов работ и применение автоматизированных измерительных комплексов.

• повышения безопасности перевозок вследствие получения качественной оперативной информации о состоянии сооружения и принятия квалифицированного управленческого решения.

• рекомендаций по ремонту ИССО на основании экспресс-оценки технического состояния.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. По результатам испытаний пролетных строений сделан вывод, что за диагностируемый параметр оценки технического состояния сталежелезобетонных конструкций может быть принята величина первой частоты собственных колебаний.

2. Исследованиями установлено, что между степенью развития неисправностей в железобетонной плите и первой собственной частотой колебаний пролетного строения существует количественная зависимость.

3. Исходная предпосылка использования динамических параметров для оценки технического состояния сталежелезобетонных пролетных строений подтверждена результатами настоящего исследования и получила практическое применение.

4. Обоснована возможность применения импульсного воздействия малой интенсивности для определения первой собственной частоты колебаний сталежелезобетонных пролетных строений.

5. Выполненные расчеты позволили получить граничные значения диагностируемого параметра в зависимости от состояния мостового полотна и интенсивности повреждений швов омоноличивания железобетонной плиты для пролетных строений, изготовленных по типовому проекту инв. № 739.

6. Разработанная методика экспресс-оценки технического состояния эксплуатируемых сталежелезобетонных пролетных строений железнодорожных мостов позволяет значительно снизить трудозатраты на проведение измерений динамических параметров.

7. Предложенная методика экспресс-оценки технического состояния сталежелезобетонных пролетных строений железнодорожных мостов внедрена и применяется на Красноярской, ВосточноСибирской и Дальневосточной железных дорогах.

Основные положения диссертационного исследования опубликованы в следующих работах:

В изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Результаты полномасштабного обследования и испытания сталежелезобетонных пролетных строений железнодорожных мостов Сибири и Дальнего Востока / С.А. Бокарев, Л.Ю. Соловьев, Д.Н. Цветков, Е.В. Рогова // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2009. № 2. С. 160-170.

В других научных изданиях:

1. Бокарев СЛ., Соловьев Л.Ю., Цветков Д.Н. Об эффективности некоторых способов оценки технического состояния сталежелезобетонных пролетных строений // Вестник Днепропетровского национального университета железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна. Днепропетровск, 2007. Вып. 14. С. 162-167.

2. Немировский Ю.В., Соловьев Л.Ю., Цветков Д.Н. Об оценке несущей способности сталежелезобетонных пролетных строений по результатам испытаний // Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. Новосибирск: Изд-во СГУПСа, 2005. Вып. 12. С. 139-143.

3. Соловьев Л.Ю., Цветков Д.Н. Об особенностях классификации сталежелезобетонных пролетных строений железнодорожных мостов // Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. Новосибирск: Изд-во СГУПСа, 2006. Вып. 13. С. 155-160.

4. Цветков Д.Н. Исследование динамического отклика сталежелезобетонных пролетных строений с различными повреждениями в плите // Проблемы прочности материалов и сооружений на транспорте: Сб. докладов VII Междунар. конф. по проблемам прочности материалов и сооружений на транспорте. СПб.: ПГУПС, 2008. С. 192-193.

5. Васильев С.П., Соловьев Л.Ю., Цветков Д.Н. Использование динамических характеристик сталежелезобетонных пролетных строений для оценки их технического состояния // Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. Новосибирск: Изд-во СГУПСа, 2006. Вып. 13. С. 147-154.

6. Соловьев Л.Ю., Цветков Д.Н. Об оперативной диагностике сталежелезобетонных пролетных строений железнодорожных мостов // Безопасность движения поездов: Труды 7-й (дополнительной) науч.-практ. конф. М., 2006. С.32.

7. Соловьев Л.Ю., Снежков И.И., Цветков Д.Н. Влияние технического состояния на изменение динамических параметров эксплуа-

тируемых сталежелезобетонных пролетных строений // Актуальные проблемы ТРАНССИБА на современном этапе. Кадровое и научно-техническое обеспечение процессов интеграции в мировую транспортную систему Тез. Междунар. науч.-практ. конф. Новосибирск, 2007. С. 251-252.

8. Соловьев Л.Ю., Снежков И.И., Цветков Д.Н. Аппаратная поддержка измерения параметров напряженно-деформированного состояния элементов сталежелезобетонных пролетных строений // Актуальные проблемы ТРАНССИБА на современном этапе. Кадровое и научно-техническое обеспечение процессов интеграции в мировую транспортную систему Тез. Междунар. науч.-практ. конф. Новосибирск, 2007. С. 253-254.

9. Цветков Д.Н. Определение динамических параметров сталежелезобетонных пролетных строений с учетом результатов испытаний // Численные методы решения задач теории упругости и пластичности: Тр. XXI Всерос. конф. / Под ред. акад. РАН В.М. Фомина, Новосибирск.: Параллель. 2009. С. 229-233.

10. Цветков Д.Н. Определение граничных значений динамических параметров сталежелезобетонных пролетных строений при оценке их технического состояния // Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. Новосибирск: Изд-во СГУПСа, 2009. Вып. 21. С. 89-95.

\\.Бокарев С.А., Цветков Д.Н Экспресс-оценка технического состояния эксплуатируемых сталежелезобетонных полетных строений железнодорожных мостов по динамическим параметрам // Известия Транссиба. Омск, 2010. Вып. 1. С. 91-98.

эМ

Ф'

ЦВЕТКОВ Дмитрий Николаевич

ОЦЕНКА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ СТАЛЕЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ПРОЛЕТНЫХ СТРОЕНИЙ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ МОСТОВ ПО ИХ ДИНАМИЧЕСКИМ ПАРАМЕТРАМ

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

Сдано в набор 26.04.2010 Подписано к печати 26.04.2010 Формат 60x90 1/16 Объем усл. печ. л. 1,375

Заказ №2200 Тираж 100.

Издательство Сибирского государственного университета путей

сообщения

630049, Новосибирск, ул. Дуси Ковальчук, 191. Тел./факс: (383)328-03-81. E-mail: press@stu.ru

ВВЕДЕНИЕ.

1 ТЕХНИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ СТАЛЕЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ПРОЛЕТНЫХ СТРОЕНИЙ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ МОСТОВ, МЕТОДЫ ЕГО ОЦЕНКИ. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Краткаяхарактеристика сталежелезобетонных пролетных строений.

1.1.1 Этапы развития и конструкция сталежелезобетонных пролетных строений.

1.1.2 Состояние эксплуатируемых пролетных строений.

1.2 Оценка технического состояния сталежелезобетонных пролетных строений.

1.2.1 Оценка по нормативным документам.

1.2.2 Существующие предложения по оценке технического состояния.

1.2.3 Оценка по динамическим параметрам.

1.3 Методы идентификации.динамических параметров.

1.4 Цель и.задачи исследования.

2 НАТУРНЫЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОТЫ СТАЛЕЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ПРОЛЕТНЫХ СТРОЕНИЙ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ МОСТОВ.

2.1 Общая характеристика пролетных строений;.

2.2 Методика экспериментальных исследований.

2.3 Определение динамических параметров пролетных строений по> результатам измерений'.

2.3.1 Измерение параметров колебаний.

J 2.3.2 Определение собственных частот.

2.3.3 Собственная частота пролетного строения при различных видах воздействия

2.4 Сравнительные испытания исправных и неисправных пролетных строений.

2.5 Выводы по разделу.

3 ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ СТАЛЕЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ПРОЛЕТНЫХ СТРОЕНИЙ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ МОСТОВ ПРИ ОПРЕДЕЛЕНИИ ДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ.

3.1 Основные аналитические зависимости определения собственных частот пролетного строения.

3.2 Алгоритм определения первой собственной частоты с учетом результатов измерений.

3.3 Определение численных значений критериев оценки.

3.4 Выводы по разделу.

4 МЕТОДИКА ЭКСПРЕСС-ОЦЕНКИ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ СТАЛЕЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ПРОЛЕТНЫХ СТРОЕНИЙ ПО ДИНАМИЧЕСКИМ ПАРАМЕТРАМ

4.1 Оценка технического состояния пролетных строений по динамическим параметрам.

4.2 Основные положения методики.

4.3 Последовательность определения диагностируемых параметров.

4.4 Рекомендации по обработке измерений.

4.5 Оценка технического состояния по результатам измерения динамических параметров.

4.6 Экономическая эффективность методики.

4.7 Выводы по разделу.

В настоящее время оценку технического состояния сталежелезобетонных пролетных строений железнодорожных мостов проводят по нормативным документам, регламентирующим либо балльную оценку по показателям надежности, либо классификацию по грузоподъемности. Оценку грузоподъемности осуществляют, используя основные положения СНиП 2.05.03-84* «Мосты и трубы» [57] и отдельные рекомендации Руководств по определению грузоподъемности железобетонных и металлических пролетных строений [72, 73]. Такой подход реализован НИИ мостов [49] и СГУПС [51]. Балльная оценка по показателям надежности является основой «Инструкции по оценке состояния и содержания искусственных сооружений на железных дорогах Российской Федерации» [38]. В соответствии с требованиями этих нормативных документов необходимо проведение большого комплекса работ по обследованию и испытанию пролетных строений, в процессе которых выявляются дефектные пролетные строения, для которых необходимо уточнить грузоподъемность. Перечисленные методики требуют определения прочностных параметров железобетонной плиты и напряжений в поясах металлических балок.

Основное направление работы совпадает с указанным в паспорте специальности 05.23.11 — «Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей» и связано с разработкой и внедрением в процесс эксплуатации транспортных сооружений современных методов оценки технического состояния, повышающих полноту и достоверность информации о сооружении.

Объектом исследования в данной работе являются сталежелезобетонные пролетные строения с мостовым полотном на балласте, эксплуатируемые на железно-1 дорожных мостах сети железных дорог Российской Федерации. Предмет исследования — изменение динамических параметров сталежелезобетонных пролетных строений в процессе эксплуатации в зависимости от накопленных повреждений.

Актуальность исследования обусловлена необходимостью разработки мето-, дики, снижающей трудоемкость работ и позволяющей оперативно выявлять дефектные пролетные строения, как одной из составляющей общей системы оценки технического состояния.

Основным вопросом, изучаемым в рамках диссертации, является разработка метода экспресс-оценки технического состояния сталежелезобетонных пролетных строений, имеющих повреждения в плите, по динамическим параметрам. Оперативно информацию о состоянии можно получить, проводя измерения динамических параметров пролетных строений, не требующих прохода нагрузки по сооружению. Возможность проведения таких измерений ограничена только наличием достаточно чувствительной аппаратуры, позволяющей регистрировать реакцию системы на динамические воздействия малой интенсивности.

В качестве контролируемых динамических параметров используются частоты и формы собственных колебаний, не зависящие от нагрузки, а являющиеся производными характеристиками жесткости, массы и условий опирания балок.

В первом разделе диссертации дан обзор конструкций и анализ технического состояния сталежелезобетонных пролетных строений, эксплуатируемых на железных дорогах России. Приведены сведения о существующих методиках оценки технического состояния сталежелезобетонных мостов по действующим нормативным документам.

Во втором разделе приведены методика проведения и результаты испытаний сталежелезобетонных пролетных строений железнодорожных мостов. Начиная с 2003 года, в рамках работ по Инвестиционной программе ОАО РЖД были освидетельствованы все сталежелезобетонные пролетные строения Красноярской железной дороги (29 ПС), а в процессе научно-исследовательских работ - 232 пролетных строения на Дальневосточной и Восточно-Сибирской железных дорогах. Таким образом, в период с 2003 по 2008 гг. были проведены испытания 261 сталежелезо-бетонного пролетного строения. Дано описание электронного измерительного комплекса «Тензор МС», использованного для определения динамических параметров пролетных строений.

В третьем разделе показаны результаты численного моделирования работы сталежелезобетонных пролетных строений методом конечных элементов при определении динамических параметров. Проведена адаптация моделей по результатам измерений. Полученные конечно-элементные модели позволили определить граничные значения величины первой собственной частоты, соответствующие переходу пролетного строения из исправного в неисправное состояние. Достоверность граничных значений первой собственной частоты подтверждена сравнением с результатами ее измерения на эксплуатируемых конструкциях.

В четвертом разделе изложены основные положения методики экспресс-оценки технического состояния сталежелезобетонных пролетных строений железнодорожных мостов по динамическим параметрам. Показана экономическая эффективность методики, обусловленная получением оперативной и достоверной информации о состоянии эксплуатируемых пролетных строений при перспективном планировании работ по содержанию и реконструкции мостовых сооружений железных дорог, а также снижением трудозатрат на проведение самой диагностики и оценки технического состояния.

Научная новизна работы:

1. Впервые по результатам испытаний большого числа эксплуатируемых сталежелезобетонных пролетных строений железнодорожных мостов установлены количественные зависимости между величиной динамических параметров и интенсивностью накопленных неисправностей (дефектов, повреждений и отклонений от норм содержания).

2. На основе натурных испытаний и численного моделирования определены граничные значения динамических параметров сталежелезобетонных пролетных строений железнодорожных мостов, сравнение с которыми позволяет установить наличие неисправностей и их влияние на техническое состояние пролетных строений.

3. Обоснована возможность применения импульсного воздействия малой интенсивности для определения первой собственной частоты колебаний сталежелезобетонных пролетных строений.

Практическая ценность и внедрение. Результаты диссертационной работы использованы при разработке «Методики обследования и инструментальной диагностики сталежелезобетонных пролетных строений» (утверждена ОАО «РЖД» в 2008 г.). предложенная методика позволяет оперативно выполнить предварительную оценку технического состояния сталежелезобетонных пролетных строений железнодорожных мостов, давая ответ на вопрос - есть ли в конструкции дефекты и повреждения, существенно снижающие ее несущую способность? При использовании методики учитываются особенности конструкции пролетных строений и некоторые параметры мостового полотна с ездой на балласте. Оценка технического состояния сталежелезобетонных пролетных строений железнодорожных мостов по динамическим параметрам внедрена и применяется при проведении работ на Красноярской, ВосточноСибирской и Дальневосточной железных дорогах. Результаты исследований, выполненных автором, используются в учебном процессе высших учебных заведений при изучении дисциплины «Обследование и испытание мостов».

К защите представляются:

1. Методика оценки технического состояния сталежелезобетонных пролетных строений железнодорожных мостов по динамическим параметрам.

2. Оценка и определение граничных значений динамических параметров сталежелезобетонных пролетных строений железнодорожных мостов, соответствующих исправному или неисправному состояниям.

3. Количественная зависимость между величиной первой частоты собственных колебаний сталежелезобетонных пролетных строений железнодорожных мостов и наличием повреждений в швах железобетонной плиты балластного корыта с учетом особенностей конструкции и параметров мостового полотна.

Основные положения диссертационного исследования были доложены и обсуждены на:

LXVI Международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта» в Днепропетровске, 11—12 мая 2006 г.;

Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы Транссиба на современном этапе. Кадровое и научно-техническое обеспечение процессов интеграции в мировую транспортную систему» в Новосибирске, 29-30 ноября 2007 г.;

65-й Всероссийской научно-технической конференции НГАСУ (Сибст-рин) «Актуальные проблемы строительной отрасли» в Новосибирске, 8—10 апреля 2008 г.;

VII Международной научно-практической конференции «Проблемы прочности материалов и сооружений на транспорте» в Санкт-Петербурге, 23—24 апреля 2008 г.;

XXI Всероссийской конференции «Численные методы решения задач теории упругости и пластичности» в Кемерово, 30 июня - 2 июля 2009 г.; объединенном научном семинаре семи кафедр СГУПСа в Новосибирске, 9 апреля 2010 г.

4.7 Выводы по разделу

Разработана методика экспресс-оценки технического состояния эксплуатируемых сталежелезобетонных пролетных строений железнодорожных мостов. Показаны особенности проведения измерений и определения на их основе диагностируемого параметра — первой собственной частоты колебаний.

Проведена оценка экономической эффективности внедрения методики в систему организации содержания эксплуатируемых искусственных сооружений.

Экономическая эффективность методики складывается из возможности использования результатов оценки технического состояния при перспективном планировании ремонтов и реконструкции искусственных сооружений. Вторым фактором, определяющим целесообразность ее внедрения, является снижение трудозатрат на проведение диагностики состояния эксплуатируемых сталежелезобетонных пролетных строений железнодорожных мостов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На сети железных дорог России эксплуатируется более 700 сталежелезобетонных пролетных строений средних и больших железнодорожных мостов, из которых более 500 расположены на территории Сибири и Дальнего Востока. Службам железных дорог, занимающимся эксплуатацией искусственных сооружений, необходимо иметь информацию о техническом состоянии пролетных строений. По результатам сезонных осмотров и при сплошном обследовании сооружений достаточно давать оценку его изменения во времени по ограниченному количеству показателей, чтобы оценить уровень безопасности движения.

По результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

1. По результатам испытаний пролетных строений сделан вывод, что за диагностируемый параметр оценки технического состояния сталежелезобетонных конструкций может быть принята величина первой частоты собственных колебаний.

2. Исследованиями установлено, что между степенью развития неисправностей в железобетонной плите и первой собственной частотой колебаний пролетного строения существует количественная зависимость.

3. Исходная предпосылка использования динамических параметров для оценки технического состояния сталежелезобетонных пролетных строений подтверждена результатами настоящего исследования и получила практическое применение.

4. Обоснована возможность применения импульсного воздействия малой интенсивности для определения первой собственной частоты колебаний сталежелезобетонных пролетных строений.

5. Разработаны алгоритмы и создано программное обеспечение для обработки сигналов вибродатчиков, позволяющих повысить точность определения динамических параметров пролетных строений.

6. Выполненные расчеты позволили получить граничные значения диагностируемого параметра в зависимости от состояния мостового полотна и интенсивности повреждений швов омоноличивания железобетонной плиты для пролетных строений, изготовленных по типовому проекту инв. №739.

7. Разработанная методика экспресс-оценки технического состояния эксплуатируемых сталежелезобетонных пролетных строений железнодорожных мостов, позволяет значительно снизить трудозатраты на проведение измерений динамических параметров.

8. Предложенная методика экспресс-оценки технического состояния сталежелезобетонных пролетных строений железнодорожных мостов внедрена и применяется на Красноярской, Восточно-Сибирской и Дальневосточной железных дорогах.

Результаты исследований, выполненных автором, используются в учебном процессе кафедры «Мосты» Сибирского государственного университета путей сообщения по дисциплине «Обследование и испытание мостов».

Основные положения диссертации изложены в следующих статьях:

В изданиях, рекомендованных ВАК: Результаты полномасштабного обследования и испытания сталежелезобетонных пролетных строений железнодорожных мостов Сибири и Дальнего Востока / С.А. Бокарев, Л.Ю. Соловьев, Д.Н. Цветков, Е.В. Рогова // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2009. № 2. С. 160— 170.

В других научных изданиях:

1. Бокарев СЛ., Соловьев Л.Ю., Цветков Д.Н. Об эффективности некоторых способов оценки технического состояния сталежелезобетонных пролетных строений //Вестник Днепропетровского национального университета железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна. Днепропетровск, 2007. Вып. 14. С. 162-167.

2. Немировский Ю.В., Соловьев Л.Ю., Цветков Д.Н. Об оценке несущей способности сталежелезобетонных пролетных строений по результатам испытаний // Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. Новосибирск: Изд-во СГУПСа, 2005. Вып. 12. С. 139-143.

3. Соловьев Л.Ю., Цветков Д.Н. Об особенностях классификации сталежелезобетонных пролетных строений железнодорожных мостов // Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. Новосибирск: Изд-во СГУПСа, 2006. Вып. 13. С. 155-160.

4. Цветков Д.Н. Исследование динамического отклика сталежелезобетонных пролетных строений с различными повреждениями в плите // Проблемы прочности материалов и сооружений на транспорте: Сб. докладов VII Междунар. конф. по проблемам прочности материалов и сооружений на транспорте. СПб.: ПГУПС, 2008. С. 192-193.

5. Васильев С.П., Соловьев Л.Ю., Цветков Д.Н. Использование динамических характеристик сталежелезобетонных пролетных строений для оценки их технического состояния // Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. Новосибирск: Изд-во СГУПСа, 2006. Вып. 13. С. 147-154.

6. Соловьев Л.Ю., Цветков Д.Н. Об оперативной диагностике сталежелезобетонных пролетных строений железнодорожных мостов // Безопасность движения поездов: Труды 7-й (дополнительной) науч.-практ. конф. М., 2006. С.32.

7. Соловьев Л.Ю., Снежков И.И., Цветков Д.Н. Влияние технического состояния на изменение динамических параметров эксплуатируемых сталежелезобетонных пролетных строений // Актуальные проблемы ТРАНССИБА на современном этапе. Кадровое и научно-техническое обеспечение процессов интеграции в мировую транспортную систему Тез. Междунар. науч.-практ. конф. Новосибирск, 2007. С. 251-252.

8. Соловьев Л.Ю., Снежков И.И., Цветков Д.Н. Аппаратная поддержка измерения параметров напряженно-деформированного состояния элементов сталежелезобетонных пролетных строений // Актуальные проблемы ТРАНССИБА на современном этапе. Кадровое и научно-техническое обеспечение процессов интеграции в мировую транспортную систему Тез. Междунар. науч.-практ. конф. Новосибирск, 2007. С. 253-254.

9. Цветков Д.Н. Определение динамических параметров сталежелезобетонных пролетных строений с учетом результатов испытаний // Численные методы решения задач теории упругости и пластичности: Тр. XXI Всерос. конф. / Под ред. акад. РАН В.М. Фомина. Новосибирск.: Параллель. 2009. С. 229-233.

10. Цветков Д.Н. Определение граничных значений динамических параметров сталежелезобетонных пролетных строений при оценке их технического состояния // Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. Новосибирск: Изд-во СГУПСа, 2009. Вып. 21. С. 89-95.

11. Бокарев СЛ., Цветков Д.Н. Экспресс-оценка технического состояния эксплуатируемых сталежелезобетонных полетных строений железнодорожных мостов по динамическим параметрам // Известия Транссиба. Омск, 2010. Вып. 1. С. 91-98.

1. Бате К., Вилсон Е. Численные методы анализа и метод конечных элементов. М.: Стройиздат, 1982. 448 с.

2. Белуцкий И.Ю., Казаринов В.Е., Марухин Б.А. Восстановление функциональных параметров сталежелезобетонных мостов // Транспортное строительство. № 5, 2009 г., С. 8-10.

3. Белуцкий И.Ю. Совершенствование методов оценки работоспособности эксплуатируемых сталежелезобетонных пролетных строений. Владивосток: Даль-наука, 2003. 281 с.

4. Бендат Дж, Пирсол А. Прикладной анализ случайных данных. М.:Мир, 1989. 541 с.

5. Бокарев С.А. Управление техническим состоянием искусственных сооружений железных дорог России на основе новых информационных технологий. Новосибирск: Изд-во СГУПСа, 2002. 276 с.

6. Бокарев С.А., Соловьев Л.Ю., Рогова Е.В. Методика оценки грузоподъемности сталежелезобетонных железнодорожных пролетных строений // Известия вузов. Строительство. № 3 4 (603-604) 2009. С. 106-114.

7. Бокарев С.А., Яшнов А.Н., Снежков И.И., Слюсарь А.В. Малогабаритные автоматизированные системы для диагностики ИССО // Путь и путевое хозяйство. № 9. 2007. С. 25-26.

8. Большаков К.П., Платонов А. С. Тенденции развития и пути совершенствования конструкций стальных и сталежелезобетонных мостов СССР // Конструкция, расчет и технология изготовления стальных мостов: Тр. ЦНИИСа. Вып. 90. М.: Транспорт, 1974, С. 4-17.

9. Брик А.Л., Давыдов В.Г., Савельев В.Н. Эксплуатация искусственных сооружений на железных дорогах. М.: Транспорт, 1990. 232 с.

10. Быстрое В.А. Прогнозирование надежности сталежелезобетонных пролетных строений автодорожных мостов // Вопросы надежности мостовых конструкций. Межвуз. темат. сб. тр. 1988. С. 11-20.

11. Быстрое В.А. Совершенствование конструкций и расчета элементов сталежелезобетонных мостов. JL: Издательство Ленинградского университета, 1987. 185 с.

12. Васильев А.И. Системный подход к натурным исследованиям эксплуатируемых мостов // Сборник трудов ОАО ЦНИИС. М.: 2002. Вып.208. С.70-84.

13. Взаимодействие железнодорожных мостов с подвижным составом/ Н.Г. Бондарь, Ю.Г. Козьмин, З.Г. Ройтбурд и др./под ред. Н.Г. Бондаря. М.: Транспорт, 1983. 271 с.

14. Гибшман Е.Е. Мосты со стальными балками, объединенными с железобетонной плитой. М.: Дориздат, 1952.

15. Гибшман Е.Е. Проектирование стальных конструкций, объединенных с железобетоном, в автодорожных мостах. М.: Автотрансиздат, 1956.

16. Гитман Э.М. Вопросы оптимального проектирования сталежелезобетонных пролетных строений. В кн.: Исследование современных конструкций стальных мостов. М.: Транспорт, 1975. (ВНИИтрансп. стр-ва. Вып. 94).

17. Гитман Э.М., Польевко В.П. Опыт строительства железнодорожных сталежелезобетонных пролетных строений со сборной плитой проезжей части. В кн.: Исследование стальных и сталежелезобетонных мостов. М.: Транспорт, 1976. (ВНИИ трансп. стр-ва. Вып. 99).

18. Гитман Э.М., Польевко В.П. Совершенствование конструкции сборной проезжей части сталежелезобетонных пролетных строений железнодорожных мостов. // Транспортное строительство, 1980, № 4.

19. ГОСТ 27.410.-89. Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения. М.: Изд-во стандартов, 1990. 37 с.

20. ГОСТ 5781-82 Сталь горячекатаная для армирования железобетонных конструкций. Технические условия.

21. Ерлыков С.Н. Опыт применения металлических пролетных строений с железобетонной проезжей частью. «Железнодорожное строительство», 1950, №3.

22. Ефимов П.П. Проектирование мостов. Балочные сплошностенчатые цельнометаллические и сталежелезобетонные мосты: Учебное пособие для вузов ж.-д. транспорта. М.: ГОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2007. 124 с.

23. Ефимов П.П., Швецов В.А. К вопросу повышения эффективности функционирования сталежелезобетонных мостов на автомобильных дорогах // Теоретические и экспериментальные исследования мостов. Омск: Изд-во Ом. Политехи. Ин-та, 1986. С.40-46.

24. Ефимов П.П. Экспериментальные методы исследования мостов: Учебное пособие. Омск: Изд-во Ом. ГТЦУ, 1994. 195 с.

25. Инструкция по оценке грузоподъемности металлических пролетных строений по результатам испытаний, в том числе неизвестных лет постройки / ОАО «РЖД». М.: ИКЦ «Академкнига», 2007. 128 с.

26. Инструкция по оценке состояния и содержания искусственных сооружений на железных дорогах Российской Федерации. Утв. ЦП ОАО «РЖД» 23.12.2005 г. М., 2006. 120с.

27. Инструкция по содержанию искусственных сооружений ЦП-628. Утв. МПС 28.12.98 г. М.: Транспорт, 1999. 108 с.

28. Инструкция по текущему содержанию железнодорожного пути /ЦП-774. МПС России. М.: Транспорт, 2000.

29. Карпенко Н.И, Круглое В.М, Соловьев Л.Ю. Нелинейное деформирование бетона и железобетона. Новосибирск: Изд-во СГУПСа, 2001. 276 с.

30. Картополъцев А.В. Совершенствование метода оценки динамических характеристик нролетных строений балочных автодорожных мостов. Дисс. . канд. техн. наук. Томск: 1998. С. 153.

31. Клаф Р., Пензиен Дж. Динамика сооружений. М. Стройиздат, 1978. 320 с.

32. Кобенко А. А. Анализ работы двутаврового сталежелезобетонного сечения на изгиб в упруго пластической стадии. В кн.: Теоретические и экспериментальные исследования мостов и сооружений (Труды СибАДИ, № 8, 1975).

33. Крылов Н.А., Глуховской К.А. Испытание конструкций сооружений. Л.: Изд-во литературы по строительству, 1970. 270 с.

34. Кулиш В.И. Повышение эксплуатационной надежности сталежелезобетонных мостов. М.: Транспорт, 1992. 104 с.

35. Марков Б.П. Исследование условий совместной работы железобетонной плиты с металлическими сплошными балками. / Труды НИИЖТ, Вып. 13, 1958.

36. Марков Б. П. Сравнительные характеристики работы некоторых типов объединенных балок со сборной железобетонной плитой. Труды НИИЖТ, Вып. 32, Новосибирск, 1963.

37. Методика оценки воздействия подвижного состава на путь по условию обеспечения его надежности / ЦПТ-52-14. М.: Транспорт, 2000. 38 с.

38. Методические рекомендации по обоснованию эффективности инноваций на железнодорожном транспорте.- М.,1999. 230 с.

39. Никонов A.M. Железнодорожный путь на искусственных сооружениях. М.: ГО УМЦЖДТ, 2007.

40. Новак Ю.В., Звягинцев А.Н., Павлов Е.И. Оценка технического состояния железобетонных мостов методами динамической диагностики // Научные труды ОАО ЦНИИС, Вып.234. М.: 2006. С.29-36.

41. Павлов Е.И. Разработка и развитие измерительной системы для испытаний строительных сооружений в лаборатории вибродинамических испытаний // Научные труды ОАО ЦНИИС, Вып.234. М.: 2006. С.55-71.

42. Положение по оценке состояния и содержания искусственных сооружений на железных дорогах Союза ССР / Главное управление пути МПС. М.: Транспорт, 1991. 28 с.

43. Пособие по проектированию стальных конструкций к СНиП П-23-81* «Стальные конструкции» ЦНИИСК им. Кучеренко Госстроя СССР. М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1989. 149 с.

44. Поречин А.А. Оценка совместной работы плиты с главными балками в сталежелезобетонных мостах // Исследование мостовых конструкций. Хабаровск: Изд-во Хабар, политехи, ин-та, 1972. С. 148-153.

45. Поречин А.А. Классификация связующих элементов сталежелезобетонных мостов // Мосты и автомобильные дороги: Сб. тр. научн.-техн. конф. Вып. XI. Хабаровск: Изд-во Хабар, политехи, ин-та, 1970. С. 77-80.

46. Разработка методики оценки грузоподъемности сталежелезобетонных пролетных строений эксплуатируемых железнодорожных мостов /Отчет о НИР (промежуточный), рук. темы Кондратов В.В. НИИ мостов, Санкт-Петербург, 2002. 83с.

47. Рогова Е.В. Оценка грузоподъемности сталежелезобетонных пролетных строений железнодорожных мостов с учетом их технического состояния и эксплуатационных параметров. / Дисс. . канд. техн. наук. Новосибирск., 2009. 148 с.

48. Романовский В.М. Анализ способов обеспечения совместной работы железобетонной плиты и стальной балки пролетных строений мостов //Исследование пролетных строений мостов: Межвуз. сб. Омск: Изд-во Сиб. автодор. ин-та, 1982. С. 41-53.

49. Руководство по определению грузоподъемности железобетонных пролетных строений железнодорожных мостов / МПС. М.: Транспорт, 1989. 127 с.

50. Руководство по определению грузоподъемности металлических пролетных строений железнодорожных мостов / МПС. М.: Транспорт, 1987. 272 с.

51. Руководство по пропуску подвижного состава по железнодорожным мостам / Главное управление пути МПС РФ. М.: Транспорт, 1993. 368с.

52. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов. СПб.:Питер, 2002. 608 с.

53. СНиП 2.05.03-84* Мосты и трубы / Госстрой СССР М.: ЦИТП Госстрой СССР, 1985.220 с.

54. СНиП 3.06.07-86. Мосты и трубы: Правила обследования и испытаний/ Госстрой СССР М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1987. 41 с.

55. Содержание, реконструкция, усиление и ремонт мостов и труб / В.О. Осипов, Ю.Г. Козьмин, А.А. Кирста и др.; / Под ред. В.О. Осипова. М.: Транспорт, 1999. 328 с.

56. СП 13-102-2003. Правила обследования несущих строительных конструкций зданий и сооружений. М.: Госстрой России, 2004. 64 с.

57. Стрелецкий Н.Н. Исследование работы и расчет на прочность мостовых объединенных балок. Труды Всесоюзного научно-исследовательского института транспортного строительства, вып. 37, Трансжелдориздат, 1960.

58. Стрелецкий Н.Н. Новые рекомендации по расчету объединенных пролетных строений. «Транспортное строительство», 1960, №10.

59. Стрелецкий Н.Н. Сталежелезобетонные мосты. М.: Транспорт, 1965. 376 с.

60. Стрелецкий Н.Н. Сталежелезобетонные пролетные строения мостов. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Транспорт, 1981. 360 с.

61. Технические условия проектирования железнодорожных, автодорожных и городских мостов и труб (СН 200-62). Раздел V «Стальные конструкции, объединенные с железобетонной плитой». М., Трансжелдориздат, 1962.

62. Технические указания по проектированию сталежелезобетонных пролетных строений (ВСН 92-63). Оргтрансстрой, М., 1963.

63. Толмачев К.Х. К вопросу реконструкции сталежелезобетонных мостов // Теоретические и экспериментальные исследования мостов. Омск: Изд-во Ом. Политехи. Ин-та, 1986. С.4-9.

64. Указания по устройству и конструкции мостового полотна на железнодорожных мостах. М.: Транспорт, 1989. 120 с.

65. Хазанов M.J1. Анализ напряженно-деформированного состояния мостовых конструкций с использованием компьютерной измерительной системы. Автореф. дисс. . канд.техн.наук. М., 2007.

66. Чернов Н.Л., Стрелецкий Н.Н., Любаров Б.И. К расчету прочности стальных и сталежелезобетонных конструкций по предельным пластическим деформациям. // Промышленное строительство, 1979., № 5.

67. Шабалина Л.В. Искусственные сооружения. М.: ГОУ УМЦ ЖДТ, 2007

68. Agrati S., "Estimation of Struetural Parameters from Ambient Vibration Test", Master thesis 1994, Danish Technical University

69. Aktan A.E., "Issues in Instrumented Bridge Health Monitoring", IABSE Symposium San Francisco 1995.

70. Aktan AE, Lee KL, Chuntavan C, Aksel T. Modal testing for structural identification and condition assessment of constructed facilities. In: Proceedings of 12th International Modal Analysis Conference. 1994. p. 462-468.

71. Chellini G., Nardini L.,Salvatore W. Dynamical identification and modeling of steel-concrete composite high-speed railway bridge, Structure and Infrastructure Engineering, 2009, p. 1-19.

72. COSMOSM user manual version 1.75. Santa Monica, CA: Structural Research and Analysis Corporation. 1996.

73. Dewolf J.T., Coon P.E., O'Lcary P.N., Continuous Monitoring of Bridge Strueturcs, IABSE Symposium San Francisco 1995.

74. Liu X., Global Monitoring System on Lantau Fixed Crossing in Hong Kong, IABSE Symposium San Francisco 1995.

75. MIDAS Civil 2006. MIDAS Civil user manual version 7.3.0. MIDAS Information Technology.

76. Necati Catbas F, Aktan AE. Modal analysis for damage identification: past experiences and Swiss Z-24 bridge. In: Proceedings of 20th International Modal Analysis Conference. 2002. p. 448-456.

77. Peeters В., De Rock G. Reference-based stochastic subspace identification for output-only modal analysis. Mechanical Systems and Signal Processing, 6(3), 855-878, 1999.

78. W.X. Ren and G. D. Roeck. Structural damage identification using modal data. I: simulation verification, Journal of Structural Engineering, 128(1), 87-95, 2002.

79. Teughels A., MaeckJ., De Roeck G. Damage assessment by FE model updating using damage functions. / Computers and Structures. 2002. № 80. p. 1869-1879.

80. Wenzel H., Pichler D. Structural Assessment of Railway Bridges by Ambient Vibration Testing, US-Canada-Europe Workshop on Recent Advantages in Bridge Engineering, Dubendorf and Zurich, 1997.

81. Zhai, W., Wang, K., and Lin, J., 2004. Modelling and experiment of railway ballast vibrations. Journal of Sound and Vibration, 270 (4-5), 673-683.