автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Развитие и применение неразрушающих методов и средств вибрационного контроля качества предварительно напряженных железобетонных конструкций

На правах рукописи

Слюсарев Геннадий Васильевич

РАЗВИТИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ НЕРАЗРУШАЮЩИХ МЕТОДОВ

И СРЕДСТВ ВИБРАЦИОННОГО КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ПРЕДВАРИТЕЛЬНО НАПРЯЖЕННЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Специальность: 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Орел-2003

Работа выполнена в Северо-Кавказском государственном техническом университете и в Орловском государственном техническом университете

Научный консультант - заслуженный строитель РФ, доктор

технических наук, профессор В.И. Коробко

Официальные оппоненты: - заслуженный деятель науки и техники РСФСР,

член-корреспондент РААСН, доктор технических наук, профессор В.А. Клевцов

- заслуженный строитель РФ, доктор технических наук, профессор О.В. Лужин

- доктор технических наук, профессор Б.Р. Иванов

Ведущая организация - Научно-исследовательский институт

транспортного строительства (ОАО ЦНИИС), г. Москва

Защита состоится 4 ноября 2003 года в 14-00 на заседании диссертационного совета ДМ 212.182.05 в Орловском государственном техническом университете по адресу: 302020, г. Орел, Наугорское шоссе, 29, ауд. 212.

Автореферат разослан 22 сентября 2003 года.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять секретарю диссертационного совета ДМ 212.182.05 по адресу: 302020, г. Орел, Наугорское шоссе, 29.

Ученый секретарь диссертационного совета, д.ф-м.н., доцент

В.С. Шоркин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Качество изготовления строительных конструкций наиболее полно характеризует уровень развития строительного производства, поэтому проблема их контроля по-прежнему является одной из актуальных в области строительства. В настоящее время в нашей стране контроль качества предварительно напряженных железобетонных конструкций балочного типа при их производстве осуществляется разрушающим методом, который регламентирован ГОСТ 8829-94. Такой метод контроля неэффективен прежде всего из-за своей неэкономичности, а также не высокой надежности и достоверности результатов контроля.

Неразрушающие методы контроля качества (в частности вибрационные) с экономической точки зрения выгоднее разрушающих, однако достигнутый теоретический уровень знаний в области вибрационных технологий и экспериментальной механики практически не используются в современном строительном производстве. В существующих государственных нормативных документах вибрационный метод рекомендован лишь в качестве лабораторного для контроля физико-механических свойств материалов в мелкоразмерных образцах и моделях конструкций. Основными причинами такого положения являются:

- относительно малое внимание научных работников в области строительных наук к этой проблеме;

- отсутствие приемлемых для практики методических разработок по применению вибрационных методов к контролю качества и диагностике строительных конструкций;

- отсутствие надежного и удобного в эксплуатации приборного комплекса и средств контроля для проведения динамических испытаний;

- низкая культура производства на предприятиях стройиндустрии и отсутствие у производственников мотивации в повышении качества строительных конструкций.

В то же время в области машиностроения вибрационный метод используется весьма эффективно, где достигнуты существенные результаты в его теоретическом развитии и практическом применении.

В связи с указанными недостатками на первый план выходит проблема, связанная с разработкой теоретических основ, развитием и совершенствованием вибрационных методов контроля качества и диагностики строительных конструкций (в частности, предварительно напряженных железобетонных), а также разработкой надежного и удобного в эксплуатации приборного комплекса и средств неразрушающего контроля для реализации этих методов.

Объекты исследования. Объектами исследования являются: предварительно напряженные железобетонные конструкции балочного типа, а также методы и средства для реализации неразрушаюгцего вибрационного контроля железобетонных конструкций.

Целью исследования является развитие и применение неразрушающих вибрационных методов для контроля качества и диагностики состояния предварительно напряженных железобетонных конструкций балочного типа.

Для достижения указанной цели необходимо решить два комплекса задач. Первый из них включает задачи, связанные с разработкой способов и приемов реализации методов вибрационного контроля качества и физико-механических свойств железобетонных конструкций; второй - задачи, связанные с технической реализацией этих способов.

К первому комплексу задач относятся:

- разработка теоретических основ вибрационного метода применительно к задачам контроля качества и физико-механических свойств железобетонных конструкций балочного типа;

- разработка способов повышения точности определения динамических параметров железобетонных конструкций балочного типа (основной (или резонансной) частоты и декремента колебаний) за счет: выделения из регистрируемых результирующих колебаний информации о крутильных колебаниях; осуществления дополнительного пригру-за конструкции перед проведением динамических испытаний;

- определение критериев равноэнергетического вибрационного воздействия на контролируемые конструкции и разработка способов их практической реализации;

- модификация существующих способов обработки регистрируемой информации при проведении вибрационных испытаний конструкций за счет использования прямых аналитических зависимостей, связывающих контролируемые показатели качества железобетонных конструкций (прочность, жесткость, трещиностойкость и величина предварительного напряжения арматуры) с их динамическими параметрами;

- исследование возможности проведения вибрационных испытаний железобетонных конструкций с использованием продольных колебаний звукового диапазона и разработка способов контроля их качества при различных режимах возбуждения колебаний;

- разработка способов комплексного вибрационного контроля качества и физико-механических свойств железобетонных конструкций с использованием поперечных и продольных колебаний при различных режимах их возбуждения;

- разработка приемов и способов закрепления контролируемых конструкций, по-

зволяющих упростить процедуру установки их на опорах, снизить акустическую связь опорных зон между собой и с испытуемым изделием, улучшить форму регистрируемых колебаний, снизить величину энергии, необходимой для возбуждения колебаний, повысить помехозащищенность средств измерения; улучшить условия труда операторов;

- исследование возможности использования в качестве эталонной конструкции изделия серийного изготовления;

- разработка способов контроля железобетонной конструкции балочного типа с целью выявления места расположения дефекта по ее длине.

Ко второму комплексу задач относятся:

- разработка конструктивно простых, надежных в работе, помехоустойчивых и универсальных в эксплуатации средств первичного преобразования перемещений (виброперемещений) с возможностью варьирования в широких пределах их чувствительностью и динамическим диапазоном измерения перемещений;

- исследование и оптимизация импульсных режимов работы измерительных преобразователей на основе нестандартных оптоэлектронных пар инфракрасного диапазона с открытым оптическим каналом;

- исследование свойств модулирующих основ, используемых в качестве дополнительного подвижного модулирующего элемента измерительных оптоэлектронных преобразователей;

- разработка специализированных модулирующих элементов измерительных оптоэлектронных преобразователей и способов их изготовления в виде оптического клина с требуемым законом изменения оптической плотности;

- разработка микропроцессорного прибора для неразрушающего вибрационного контроля и интегральной оценки прочности, жесткости, трещиностойкости и величины предварительного напряжения арматуры железобетонных конструкций балочного типа по параметрам поперечных колебаний;

- разработка микропроцессорного прибора для неразрушающего вибрационного контроля трещиностойкости железобетонных конструкций и измерения механических напряжений в арматуре по параметрам продольных колебаний;

- разработка конструкции универсального вибрационного стенда для проведения динамических испытаний железобетонных плит перекрытия и покрытия;

- разработка алгоритмов программных средств для специализированного аппаратно-программного комплекса на базе персонального компьютера типа IBM PC для проведения динамических испытаний и исследования физико-механических свойств железобетонных конструкций.

Методы исследования. В работе использованы фундаментальные методы расче-

та строительных конструкций, вариационные методы строительной механики, методы физико-механического и геометрического моделирования конструкций, изопериметри-ческий метод решения двумерных задач строительной механики.

Достоверность научных положений и полученных результатов подтверждается их сравнением с известными результатами, найденными с помощью фундаментальных аналитических и экспериментальных методов расчета строительных конструкций, а также с результатами проведенных в работе экспериментов.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- разработаны теоретические основы неразрушающего вибрационного метода контроля качества железобетонных конструкций балочного типа и построены математические модели для оценки прочности, жесткости, трещиностойкости и величины предварительного напряжения арматуры на основе их динамических параметров;

- определены критерии и разработаны способы равноэнергетического вибрационного воздействия на испытуемые конструкции;

- разработаны теоретические основы и методологические приемы реализации более 20 способов вибрационного контроля качества и диагностики физико-механических свойств железобетонных конструкций с использованием поперечных и продольных колебаний в отдельности и совместно, включая способы повышения точности определения динамических параметров, создания различных режимов колебаний (вынужденных, свободных и нестационарных), определения места расположения дефекта;

- разработаны конструктивно простые, надежные в работе, помехоустойчивые и универсальные в эксплуатации средства первичного преобразования перемещений (виброперемещений) на основе нестандартных оптоэлектронных пар инфракрасного диапазона с открытым оптическим каналом, в том числе с дополнительным подвижным модулирующим элементом;

- исследованы импульсные режимы работы оптоэлектронных пар с целью возможности варьирования в широких пределах чувствительностью и динамическим диапазоном измерения перемещений и проведена оптимизация этих режимов;

- исследованы свойства модулирующих основ, использующихся в качестве подвижного модулирующего элемента измерительных оптоэлектронных преобразователей, выполненных в виде оптического клина с требуемым законом изменения оптической плотности;

- разработанй алгоритмы программных средств для специализированного аппаратно-программного комплекса на базе персонального компьютера типа ГВМ РС для проведения динамических испытаний и исследования физико-механических свойств железобетонных конструкций.

Приоритет и новизна предложенных способов вибрационного контроля качества и диагностики строительных конструкций подтверждается 18-ю авторскими свидетельствами, патентами на изобретения и свидетельствами об официальной регистрации программ для ЭВМ, выданными ФИПС России.

Практическая ценность работы заключается в том, что полученные в работе результаты теоретических и экспериментальных исследований позволяют подойти к практическому решению проблемы организации и проведения поточного неразрушающего контроля качества предварительно напряженных железобетонных конструкций с помощью вибрационного метода на новом техническом уровне за счет комплексного решения вопросов его теоретического, методологического, инструментального и программного обеспечения. При выполнении исследований:

- разработано более 20 способов вибрационного контроля качества и диагностики физико-механических свойств железобетонных конструкций и методологические приемы их практической реализации;

- разработаны рекомендации по использованию импульсных режимов работы оп-тоэлектронных пар и модулирующих элементов измерительных преобразователей перемещений (виброперемещений);

- показана возможность использования в качестве эталонной конструкции изделий серийного изготовления;

- разработаны специализированные модулирующие элементы измерительных оп-тоэлектронных преобразователей и предложены способы их изготовления;

- разработаны микропроцессорные приборы: для интегральной оценки прочности, жесткости, трещиностойкости и величины предварительного напряжения арматуры железобетонных конструкций балочного типа по параметрам поперечных колебаний; для контроля трещиностойкости железобетонных конструкций и измерения механических напряжений в арматуре по параметрам продольных колебаний;

- предложена конструкция универсального стенда для проведения динамических испытаний железобетонных плит перекрытия и покрытия;

- разработаны две программы для специализированного аппаратно-программного измерительного комплекса на базе персонального компьютера типа IBM PC для проведения динамических испытаний и исследования физико-механических свойств железобетонных конструкций.

На защиту выносятся:

- теоретические основы неразрушающего вибрационного метода контроля качества железобетонных конструкций балочного типа и математические модели для оценки прочности, жесткости, трещиностойкости и величины предварительного напряжения

арматуры на основе их динамических параметров;

- динамические критерии для оценки физико-механических свойств железобетонных конструкций;

- критерии и способы равноэнергетического вибрационного воздействия на испытуемые конструкции;

- способы вибрационного контроля качества и физико-механических свойств железобетонных конструкций и диагностики их состояния с использованием поперечных и/или продольных колебаний;

- конструкции первичных преобразователей перемещений (виброперемещений) на основе нестандартных оптоэлектронных пар инфракрасного диапазона с открытым оптическим каналом, в том числе с дополнительным подвижным модулирующим элементом;

- результаты исследования и оптимизации импульсных режимов работы измерительных оптоэлектронных преобразователей;

- результаты исследования свойств модулирующих основ, использующихся в качестве подвижного модулирующего элемента измерительных оптоэлектронных преобразователей;

- конструкции специализированных модулирующих элементов измерительных оптоэлектронных преобразователей и способы их изготовления в виде оптического клина с требуемым законом изменения оптической плотности;

- алгоритмы и специализированные программы для проведения динамических испытаний и исследования физико-механических свойств железобетонных конструкций с использованием аппаратно-программного измерительного комплекса на базе персонального компьютера типа ГОМ РС;

- средства неразрушающего вибрационного контроля для проведения динамических испытаний железобетонных плит перекрытия и покрытия, включая:

- микропроцессорный прибор для контроля и интегральной оценки прочности, жесткости, трещиностойкости и величины предварительного напряжения

арматуры железобетонных конструкций балочного типа;

- микропроцессорный прибор для контроля трещиностойкости железобетонных конструкций и измерения механических напряжений в арматуре;

- конструкцию универсального вибрационного стенда.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано более 100 научных работ, в том числе получено 18 авторских свидетельств, патентов на изобретения и свидетельств об официальной регистрации программ для ЭВМ.

Апробация работы. Результаты исследований, приведенные в диссертации, мно-

гократно докладывались на научно-технических конференциях разного уровня, в том числе на: Ш-й Международной научной конференции «Материалы для строительных конструкций» (Днепропетровск, 1994); П-й и Ш-й Международных научных конференциях «Циклические процессы в природе и технике» (Ставрополь, 1994, 1995); Международной научно-технической конференции «Современные проблемы строительного материаловедения» (Казань, 1996); 1У-й Международной конференции «Циклы природы и общества» (Ставрополь, 1996); 51-й Международной научно-технической конференции молодых ученых с участием студентов, аспирантов и докторантов (Санкт-Петербург, 1997); УП-й Международной научно-технической конференции «Оптические, радиоволновые, тепловые методы и средства контроля природной среды, материалов и промышленных изделий» (Череповец, 1997); 1-й, 2-й и 4-й Международных научных конференциях «Циклы» (Ставрополь, 1999, 2000, 2002); Международной научно-технической конференции «Проблемы строительного и дорожного комплексов» (Брянск: БГИТА, 1998); Международной научно-технической конференции «Механика и новые технологии» (Севастополь, 1995); 4-й и 5-й Международных конференциях «Нелинейные колебания механических систем» (Нижний Новгород, 1996, 1999); Всероссийской научно-технической конференции «Физико-механические свойства материалов и их экспрессная оценка неразрушающими методами и портативными техническими средствами» (Волгоград, 1995); П-й и 111-й Всероссийских научно-технических конференциях «Вибрационные машины и технологии» (Курск, 1995, 1997); межвузовской научной конференции «Лейбниц - мыслитель, философ, человек (к 350-летию со дня рождения)» (Ставрополь, 1996); 1-й, 3-й, 4-й и 5-й региональных научно-технических конференциях «Вузовская наука - Северо-Кавказскому региону» (Ставрополь, 1997, 1999, 2000, 2001); на вторых Международных академических чтениях РААСН «Новые энергосберегающие архитектурно-конструктивные решения жилых и гражданских зданий» (Орел, 2003) и др.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация представлена в двух томах. Первый том изложен на 370 страницах машинописного текста и состоит из введения, девяти глав, основных выводов, списка литературы, включающего 226 наименований. В нем содержится 15 таблиц, 117 рисунков и 2 схемы алгоритмов. Второй том изложен на 266 страницах машинописного текста и состоит из 8 приложений. В нем содержится 26 рисунков, 7 таблиц и 2 исходных текста программ для ЭВМ.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность выбранной темы научных исследований, формулируются основные цели и задачи работы, отмечается научная и практиче-

екая значимость полученных результатов, излагаются основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приводится аналитический обзор современного состояния вопроса по проблеме развития и применения вибрационных методов и средств для неразру-шающего контроля качества и оценки физико-механических свойств строительных конструкций на предприятиях стройиндустрии. В обзоре кратко изложены основные достижения в этом направлении научных исследований в области теоретических и методологических разработок, практического использования вибрационных методов в строительном комплексе, анализируется уровень развития измерительной техники.

Среди наиболее известных разработок в области неразрушающего контроля качества железобетонных конструкций, опубликованных в нашей стране, в обзоре отмечаются исследования: НИИЖБ (Клевцов В.А., Бердичевский Г.И., Коревицкая М.Г.), МИСИ (Лужин О.В., Злочевский А.Б., Волохов В.А., Почтовик Г.Я., Шмаков Г.Б. Яковлев А.И.), ЛенЗНИИЭП и Оргтехстроя Главзапстроя Министерства строительства СССР (Крылов H.A., Глуховской К.А., Калашников В.А., Полищук A.M.), Тбил-ЗНИИЭП (Сехниашвили Э.А., Власов Л.С., Гоголадзе И.Г., Саркисов Ю.С., Туркия Б.Ш.), ЦНИИС (Балючик Э.А., Кришман Б.И., Орел A.A.), ОрелГТУ (Коробко В.И., Ид-рисов Н.Д., Павленко A.A.), а также автора.

Результаты научных и экспериментальных исследований в области неразрушающего вибрационного контроля качества строительных конструкций изложены также в научной и учебной литературе [(Лужин О.В., Злочевский A.B., Горбунов И.А.), (Ермолов И.Н., Останин Ю.Я.), (Комар А.Г., Дубровин E.H., Кержнеренко Б.С.), (Клевцов В.А., Коревицкая М.Г.), (Защук И.В. Золотухин Ю.Л.), (Ермолов И.Н., Останин Ю.Я.), (Тамарин A.A.), (Судаков В.В., Гринберг В.Е.)], а также справочной (Крылов H.A., Ле-щинский М.Ю.) и патентной [(Сехниашвили Э.А., Горшков A.M., Саркисов Ю.С.), (Коробко В.И., Идрисов Н.Д., Павленко A.A., Слюсарев Г.В., Юров А.П. и др.)] литературе.

Рассматривая проблему обеспечения вибрационных испытаний строительных конструкций современными средствами измерений и контроля, выпускаемыми отечественной промышленностью, отмечается их недостаточность и неприспособленность для указанных целей и обосновывается необходимость проведения дальнейших теоретических и экспериментальных исследований для разработки и изготовления специализированных средств неразрушающего контроля, предназначенных для осуществления таких испытаний.

На основе проведенного анализа формулируются основные цели и задачи исследования.

Во второй главе разрабатываются теоретические основы использования вибрационного метода для неразрушающего контроля и оценки прочности, жесткости, тре-щиностойкости и величины предварительного напряжения железобетонных конструкций балочного типа и диагностики их состояния.

Исследуя две краевые задачи технической теории пластинок (поперечный изгиб и свободные гармонические колебания) с помощью модифицированного вариационного метода Релея, когда функция прогибов \у = ш0Г(х,у) представляется однопараметриче-ской зависимостью

\у(х,у) = «^(х.у) = \Уоя[1/г(ф)] = \*<£(р),

где \у0 - максимальный прогиб, 0 < 1"(х,у) < 1, (0 < р < 1), из энергетических уравнений этой теории были получены выражения в виде изопериметрических соотношений

12 тч

-К- 1А - Л.«,

ГЖ.1'

гл2 — к ЕМ (О -К-ш---у,

т А

(1)

где К„ и Кщ - коэффициенты пропорциональности, зависящие от формы пластинок и вида граничных условий, а остальные обозначения являются общепринятыми в теории пластинок.

Графический анализ распределения всего множества известных решений для рассматриваемых задач, представленный на рисунках 1-а и 1-6 в координатных осях у/о - \[К{ и а - 1/Кг, показал, что эти множества ограничены с двух сторон. В задаче поперечного изгиба пластинок верхняя граница соответствует пластинкам в виде многоугольников, все стороны которых касаются вписанной окружности; нижняя граница соответствует эллиптическим пластинкам; средняя кривая соответствует прямоугольным пластинкам и является нижней границей для треугольных и четырехугольных пластинок. Для задачи колебаний пластинок указанные границы будут обратными.

ю \\\

\ 3

! 1/к1

Рисунок 1 - Зависимости щ - 1/Кь о - 1/Кг и \у0а>2 — 1/Кг (показаны условно)

На рисунке 1-в приведен график изменения величины К = \у0<в , из которого вид-

но, что рассматриваемое произведение этих двух множеств известных решений вырождается в кривую, границами которой являются круглые пластинки (К я (4/л)^/т) и бесконечно вытянутые пластинки (балки) (К к А/кц/т). Поскольку в работе рассматриваются только конструкции балочного типа, то подтверждением последнего вывода являются результаты, приведенные в таблице 1.

Таблица 1 - Сопоставление произведения Wf)af для однопролетных балок с различными граничными условиями

Схема балки Основная частота, А\т Максимальный прогиб, wa = а-^- Произведение W0tO1 =aß'i-т Отклонение (%) от среднего значения

I Я2 5/384 1,268 -0,86

II (1,25 л)2 1/185 1,285 0,48

Ш (1,5 я)2 1/384 1,284 0,38

Среднее значение произведения К 1,279

Примечания: 1. Схема I соответствует балке с шарнирным опиранием обоих концов; схема II — балке, один конец которой шарнирно оперт, а другой жестко защемлен; схема III — банке с обоими жестко защемленными концами.

Результаты численного эксперимента, приведенные на рисунке 1 и таблице 1, были подвергнуты тщательному теоретическому анализу. На их основе сделан вывод о наличии строгой функциональной связи между максимальным прогибом пластинок и балок, находящихся под действием равномерно распределенной нагрузки, и их основной частотой колебаний в ненагруженном состоянии:

4/71 х q/m < w0to2 < (4/jt)2x q/m. (2)

Эта закономерность может весьма эффективно быть использована при оценке жесткости упругих балок и плит по основной (резонансной) частоте их колебаний.

Так, для способа контроля жесткости конструкций балочного типа с помощью эталонных конструкций получено соотношение

мс=мэ4^. о)

fc Чэ тс

где индекс «с» относится к характеристикам серийного изделия, а индекс «э» — к характеристикам эталонного изделия. Это'выражение не зависит от модулей упругости, длины и ширины серийной и эталонной конструкций. Это значит, что в качестве эталонно-

го изделия для конструкций определенного (заданного) типа можно использовать конструкцию серийного изготовления. Более того, эталонная конструкция может бьггь выполнена из материала, отличного от материала серийных конструкций. Другими словами, вместо конструкции-эталона можно изготавливать аффинно-подобную модель и использовать результаты ее испытаний для многих реальных конструкций балочного типа. Эти выводы и результаты могут быть востребованы, когда в стройиндустрин начнут широко использоваться вибрационные методы контроля качества и диагностики конструкций.

При контроле ширины раскрытия трещин и прочности железобетонных конструкций балочного типа путем их статического нагружения закономерность (2) будет нарушаться, поскольку и бетон, и арматура в этом случае работают в условиях упругопла-стических и пластических деформаций. Однако при этом структуру формулы для произведения ШоШ можно представить аналогично в виде степенной зависимости (ш0ю)" = Кя/т, где параметр п определяется для отдельных этапов нагружения конструкции. С учетом этого для контроля нагрузок, соответствующих началу трещинообра-зования и раскрытию трещин до допускаемых пределов, а также ширины раскрытия трещин и предельной разрушающей нагрузки предложены следующие пропорциональные соотношения:

В этих зависимостях (ясгс)1 - контрольная нагрузка, соответствующая началу трещино-образования железобетонной балки, ^сгс)2 — контрольная нагрузка, соответствующая регламентируемой ширине раскрытия трещин (а,;ГС).

Если качество изделий, выпускаемых на предприятиях стройиндустрин, стабильно высокое, то, как правило, отклонения частот колебаний от эталонного значения незначительны. В этом случае в формулах (4) величину параметра п, как показали результаты экспериментов, можно принять равным двум (п = 2).

Аналогично может быть определена интегральная величина предварительного напряжения арматуры ст5р в готовой конструкции. При этом

При испытании железобетонных плоских и ребристых плит возникают сложности с определением их динамических параметров из-за неплоскостности нижней грани. Для преодоления этого недостатка предложены два способа: способ пригружения плит некоторой равномерно распределенной нагрузкой и способ разделения регистрируемых

(4)

(5)

результирующих колебаний на изгибную и крутильную составляющие.

Как показали эксперименты, при пригружении конструкции скорости изменения частот колебаний дефектной и добротной конструкций будут разными, следовательно по этому параметру можно также производить диагностику состояния конструкций.

Для разделения результирующих колебаний на поперечные и крутильные компоненты при проведении вибрационного контроля качества строительных конструкций (типа плит) разработана специальная методика, согласно которой производится регистрация колебаний в двух точках плиты ух и у2, расположенных на одной прямой, перпендикулярной к продольной оси, с последующей обработкой виброграмм с учетом полученных соотношений:

Здесь перемещения у3 и у4 характеризуют крутильные колебания, у - изгибные колебания, хо - положение оси крутильных колебаний. По величине Хо можно судить о степени неравномерности предварительного напряжения арматурных стержней по сечению.

При использовании вибрационного метода для контроля качества железобетонных конструкций весьма информативным параметром является коэффициент нелинейных искажений К„и, который характеризует распределение энергии по частотному спектру между основным тоном и его гармониками. Коэффициент нелинейных искажений определяется из выражения

где А( - амплитуда основного тона колебаний, Кг, Аз, А», ... - амплитуды последующих гармоник. При проведении вибрационного контроля строительных конструкций большое значение имеет установление верхней границы максимально допустимой энергии возбуждения, не приводящей к изменению их упругих свойств. Экспериментально показано, что моменту начала проявления неупругих деформаций конструкции предшествует значительный рост Кщ,.

Особую актуальность эта задача приобретает при исследовании физико-механических свойств протяженных изгибаемых железобетонных конструкций, для которых весьма важно предварительно установить верхнюю деформационную границу, соответствующую максимальной величине энергии возбуждения колебаний, при которой еще не происходит изменение их упругих свойств.

^У1(У2-У|). У1+У2

_ Уг(Уг ~У|). У1+У2

у=2У'+У'; У1+У2 '

На рисунке 2 представлена зависимость К„и от мощности W, подводимой к вибровозбудителю колебаний, полученная по результатам испытаний железобетонных перемычек типа 8ПБ-13-1. Кривая 1 на этом рисунке соответствует эталонному изделию, а кривая 2 - дефектному.

а Как видно из приведен-

ных графиков, величина Кня для дефектных изделий заметно превосходит величину этого параметра для однотипного добротного изделия при одинаковом уровне энергии возбуждаемых в них продольных (график а) или изгибных (график б) колебаний.

Эффективным способом исследования физико-механических свойств железобетонных конструкций является разработанный в диссертации способ, основанный на применении амплитудной модуляции. При его реализации в конструкциях возбуждают одновременно вынужденные из-гибные и продольные колебания на резонансных частотах с последующей регистрацией модулированных колебаний и определением коэффициента амплитудной модуляции Кщ, по формуле:

К-ам- (АмаКс " АминУ(Амакс Амнн

)■ (6)

У качественных изделий значение Кам значительно ниже, чем у дефектных. Этот физический эффект объясняется существенным изменением акустического импеданса материала конструкции при продольных колебаниях из-за возникающих напряжений в бетоне и арматуре, что в наибольшей степени проявляется в зонах расположения дефектов, поглощающих и рассеивающих энергию продольных колебаний. Соответствующие ме-

0,> V», Вт

Рисунок 2

тодики проведения испытаний с помощью предлагаемых способов приведены в диссертации.

На рисунке 3 представлены зависимость Кам от мощности V/, подводимой к вибровозбудителю изгибных колебаний, для эталонного (график 1) и дефектного (график 2) изделий (железобетонной перемычки типа 8ПБ-13-1); на рисунке 4 - виброграммы ам-плитудно-модулированных колебаний (для эталонного изделия - график а) и дефектного - график б)), соответствующие уровню мощности вибровозбудителя 0,33 Вт.

В заключении второй главы предложены перспективные способы вибрационного контроля качества и диагностики железобетонных конструкций, которые нуждаются в Рисунок 3 дальнейшей более тщательной

ИГ, Вт

1 ч

Рисунок 4

теоретической и экспериментальной доработке с цепью их доведения до практического применения. Эш способы автором апробированы только в лабораторных условиях.

Способ акустической эмиссии (АЭ) предлагается использовать для установления границ максимально допустимой энергии возбуждения колебаний, соответствующей началу процесса трещинообразования. При его реализации осуществляют постепенное наращивание энергии возбуждения поперечных колебаний в контролируемой конструкции, измеряют уровень и интенсивность сигналов АЭ вплоть до момента их резкого повышения, соответствующего началу трещинообразования. В дальнейшем уровень и интенсивность сигналов АЭ, наряду с измеренными динамическими параметрами контролируемой конструкции, используют для оценки ее показателей качества.

Для изучения вопроса динамики развитая трещин рассмотренный способ можно модифицировать. Суть предлагаемой модификации заключается в том, что в качестве внешнего воздействия на образец, наряду с вибрационной нагрузкой, используют электрическое попе с напряженностью, превышающей электрическую прочность газовой среды в полостях трещин. При этом в качестве регистрируемых сигналов, характеризующих реакцию различных участков материала на такие воздействия, используют радиоизлучение микроразрядов, возникающих в полостях этих микродефектов. Параметры радиоизлучения позволяют с высокой точностью определял, размеры и места локализации трещин, поскольку регистрируются за пределами испьпуемого объекта бесконтактным способом и не содержат составляющих, вызванных внутренними переотражениями сигналов.

В ходе лабораторных исследований этого способа было установлено, что уверенно регистрируются как искусственно введенные, так и естественные трещины. С увеличением ицдуцирую-щего напряжения частота микроразрадов в полостях трещин повышается и отмечается наличие фонового радиоизлучения высокой частоты повторения, вызываемого субмикротрещинами материала При возбуждении механических колебаний в исследуемых объектах параметры радиоизлучения микроразрядов (их мощность и спекф) изменяются синхронно с частотой прикладываемой периодической вибрационной нагрузки.

Способ разделения резонансных кривых, характерных для бетона и арматуры рекомендуется для испытания протяженных железобетонных конструкций, когда при снятии резонансной кривой бетона регистрируется суперпозиция резонансных кривых бетона и арматурного стержня, которая представляется двугорбой кривой. Поскольку по такой кривой практически невозможно определить декремент колебаний, то желательно произвести выделение резонансной кривой, характерной для бетона.

В качестве дополнительных режимных операций рекомендуется осуществлять периодическое «качание» частоты возбуждения продольных колебаний в контролируемой конструкции со скоростью девиации частоты, достаточной для выделения только широкой резонансной кривой бетона Широкопетлевые резонансные кривые низкодобротны и при большой скорости девиации частоты возбуждения колебаний на них успевает «откликнуться» только низкодобротная резонансная система. При этом узкопеглевые резонансные кривые арматурных стержней не успевают сформировать кривую возбуждения. Таким образом можно выделить из результирующей кривой резонансную кривую для бетона.

Способ неразрушающего контроля качества железобетонных конструкций, при реализации которого определение декремента колебаний в режиме вынужденных колебаний следует производил, по точкам перегиба А, f2 (А"(0 = 0, где А(0 - АЧХ системы), лежащим на резонансной кривой. Очевидно, что в этих точках между вибровозбудигелем колебаний и объектом контроля механическая связь практически отсутствует, что позволяет с большей степенью надежно-

сти оценивал индивидуальные физико-механические свойства изделия без влияния на него виб-ровозбудагеля. При этом по распределению энергии возбуждения колебаний по частоте несложно найти точки, характеризующие ее конкретный уровень относительно точек £

При работе конструкции в зоне упругих деформаций относительный уровень амплшуд в точках перегиба остается стабильным, а при приближении к зоне неупругих деформаций относительный уровень амплшуд будет изменяться в зависимости от уровня энергии возбуждения колебаний \У. Величина изменения положения точек 1), {2 для испьпуемых конструкций относительно эталонной будет находиться в обратной зависимости с их добротностью.

На основе полученных оценок для частот , соответствующих уровням энергий Щ, предлагается нетрадиционный подход к определению интегральных потерь упругой энергии в контролируемом изделии (по величине декремента колебаний), а также методика прогнозирования момента начала трещинообразования. Предложенные критерии позволяют повысить точность и надежность оценок показателей качества железобетонных конструкций.

Третья глава посвящена разработке первичных измерительных преобразователей перемещений (виброперемещений) на основе диодных оптсотектронных пар с открытым опшческим каналом инфракрасного диапазона с одним подвижным модулирующим элементом в ввде источника (приемника) излучения (ППОПЭ), просвечиваемой или отражающей основы (ППОМЭ), и их сочетания (комбинированная конструкция), и исследованию их работы. Примеры разработанных конструкций оптоэлекгронных преобразователей, представленные на рисунке 5 (схемы а, в, г и д), позволяют уяснить принцип их действия применительно к вибрационным испытаниям.

Наиболее простой, использующей предельный минимум элементов, является конструкция ППОПЭ (рисунок 5-а). При встречном перемещении подвижного излучающего элемента 1 относительно неподвижного фотоприемника 2 (или наоборот) вдоль общей оптической оси происходит модуляция светового потока 3 посредством изменения телесного угла, попадающего на приемник излучения. В этой конструкции особенно выгодно использовать фотоприемники с площадью фоточувств тельного элемента, превышающей 10... 12 мм2, поскольку при этом повышается чувствительность измерений, гарантируется малая ее зависимость ог перемещений, перпендикулярных оптической оси, а также обеспечивается широкий диапазон преобразований за счет диафрагмирования фогопотока.

В конструкции ППОМЭ (рисунки 5-в, 5-г) модуляция светового потока 3 производится за счет перемещения просвечиваемого или отражающего модулирующего элемента 5 с требуемым законом изменения огпической плотности, закрепленного на контролируемом объекте относительно неподвижных излучателя 1 и фотоприемника 2 оптопары. Перемещения модулирующего элемента вызывают модуляцию светового потока, показатели которого эквивалентны показателям движения объекта контроля. Такая конструкция обеспечивает высокую стабильность работы и точность измерения перемещений при одновременном снижении чувствительности к нецелевым перемещениям.

®

С7В-Т—СП) А/ \з \2

© 1

Рисунок 5 - Примеры конструкций оптоэлектронных преобразователей

В комбинированной конструкции преобразователя (рисунок 5-г) световой поток 3 от излучателя 1, отраженный основой 5 (закрепляемой на поверхности объекта контроля), модулируется элементом 4, расположенным непосредственно на фотоокне приемника излучения 2.

Основными рабочими характеристиками предложенных преобразователей являются коэффициент преобразования Кпр (определяемый как отношение величины фототока к соответствующему перемещению) и измерительный диапазон перемещений L. Для повышения Кпр и расширения L предложены различные способы, наиболее существенный из которых заключается в применении импульсных форсированных режимов работы элементов оптопар. Так, при исследовании характеристик ППОПЭ, состоящего из излучающего диода (ИД) АЛ107Б и фотоприемника (ФП) - фотодиода ФД-24к, в диапазоне токовой накачки излучателя (1„) - 0,1...2,5 А, значениях длительности импульсов (ти) - 10 мкс, частоты их следования (fc) - 50 Гц и обратного напряжения (Uo6p) - 28...160 В, прикладываемого к ФП, удалось получить изменение Кпр в пределах от 0,5... 1,0 до 12... 15 мкА/мкм и расширить L примерно с 6 до 18 мм. Полученные с использованием зависимостей 1ф„ - L диапазоны изменения этих характеристик полностью удовлетворяют требованиям, предъявляемым к вибрационным испытаниям натурных строительных конструкций и их моделей.

Применение импульсных режимов питания элементов оптопар требует учета тепловыделения и изменения температурного режима ИД, что обусловило необходимость проведения экспериментальных исследований этих режимов при следующих значения рабочих параметров опгопары: 1„ = 0,1...2,5 А; т„ = 10... 1000 мкс; fc = 50...2000 Гц; Uo6p = 100 В; L = const. По результатам этих исследований с использованием промежуточных графических зависимостей 1фП - т„, Unp - тн (где 1ф„ - ток ФП; U„p - прямое падение напряжения на ИД) и предложенной автором методики были построены изотермы

(рисунок 6) для принятого верхнего значения температуры ИД +40 °С, при которой чувствительность оптопары снижается на 3% относительно температуры +25 °С.

Полученные изотермы дают возможность оптимизировать импульсные режимы работы элементов ППОПЭ относительно конкретного температурного режима работы излучателя и позволяют выработать рекомендации, касающиеся правильного выбора рабочих параметров. Это обеспечивает возможность существенного повышения чувствительности и расширения динамического диапазона измерения перемещений разработанных оптоэлектронных преобразователей при сохранении стабильности их характеристик.

Для нахождения оптимальных условий и режимов работы ППОМЭ с модулирующей фотоосновой исследованы свойства фотоматериалов, даны рекомендации по их

Рисунок 6 - Зависимость частоты следовании импульсов^ от длительности их накачки т„ при фиксированных значениях тока накачки 1„ излучателя АЛ 107Б: 1-0,1 А; 2-0,2 А; 3-0,3 А; 4-0,5 А; 5-1,0 А; 6-1,5 А; 7-2,0 А; 8 - 2,5 А и соответствующих им значениям и^

применению в качестве светомодулирующих элементов типа оптический клин (рисунок 7). Необходимость таких исследований вызвана тем, что выполнение требований, касающихся одноосносги и линейности измерений, простоты градуировки и др., обеспечиваются главным образом конструктивными особенностями и свойствами модулирующих элементов ППОМЭ. Установлено, что наибольшей прозрачностью (91,3%) и динамическим диапазоном изменения модуляционного показателя (89,6%) в инфракрасной области спектра из исследуемых фотоматериалов обладает фотопленка «Ми-крат-300». При этом высокая линейность преобразования ФП в диапазоне ослабления светового потока 0...160 раз и устранение влияния темнового тока (Ц на точность измерения фототока 1фп подтверждают достоверность результатов оценок свойств фотоматериалов.

Корректирующая дорожка ___

Разделительная дорожка

Рисунок 7 - Вариант исполнения оптического клина с корректирующей дорожкой

Предложены несколько способов получения оптических клиньев для ППОМЭ, а именно: с применением ПЭВМ; основанный на использовании линейной разности оптических путей, проходимых световыми лучами; способ тиражирования многократным экспонированием постоянного эталона; способ тонкопленочной технологии осаждения металла в вакууме на прозрачные подложки и др.

В ходе проведения оценок метрологических характеристик ППОПЭ (ППОМЭ) установлено, что систематическая и случайная погрешности соответственно не превышают 0,55% (1,0%) и 0,3% (0,3%). Определены конкретные значения точности 82,5 (81,3), разрешающей способности 189,8 (187,1) и нестабильности (не более 0,1% за 10 мин) этих преобразователей.

Предложен способ изменения чувствительности и динамического диапазона измерения перемещений ППОПЭ за счет управления потоком излучения посредством диафрагмирования фотоприемника.

Для обработки регистрируемой информации и повышения точности определения динамических параметров контролируемых объектов разработаны плоские детектирующие модулирующие элементы, позволяющие при их использовании осуществить двухполупериодное выпрямление колебательного процесса непосредственно на стадии первичного преобразования. Виброграмма свободных затухающих колебаний после де-

Налравление целевой оси оптического клина

тектирования приведена на рисунке 8.

А

Эти элементы изготавлива-

ются в виде оптических клиньев, имеющих в нейтральной зоне максимум или минимум модуляционного показателя, монотонно изменяю-

Рисунок 8

t щегося в противоположные стороны от нейтрали.

В четвертой главе исследуется критерий равноэнергетического возбуждения колебаний в строительных конструкциях при использовании вибрационного метода, рассматриваются практические способы его применения, а также предлагаются энергетические оценки жесткости и демпфирующих свойств контролируемых конструкций.

Энергоемкость строительных конструкций, в первую очередь, зависит от физико-механических свойств материала. В реальных механических системах суммарные затраты энергии Е1 на возбуждение колебаний всегда превышают величину энергии Е2, затрачиваемую на возбуждение колебаний на резонансной частоте (Е\/Ег> 1). Особый интерес представляет оценка потерь энергии, связанных непосредственно с физико-механическими свойствами контролируемых изделий, а также с изменением их напряженно-деформированного состояния в процессе воздействия вибрационных нагрузок. Поскольку решение этой задачи связано с определением величин Е| и Е2, то было уделено внимание тщательному анализу прямого потока энергии в колебательной системе, направленного от возбудителя колебаний к объекту контроля, и обратного потока, возникающего, когда колеблющееся тело следует как бы «вдогонку» удаляющемуся вибровозбудителю. Величина последнего потока энергии существенно зависит от усилия прижима подвижного элемента вибровозбудителя, назначаемого из условий обеспечения его надежного акустического контакта с конструкцией.

Для измерения величин Е) и Ег предложено первоначально пропускать суммарный поток энергии через измерительный преобразователь силы, включаемый в разрыв между вибровозбудигелем и объектом контроля, определяя при этом одновременно величину виброперемещеиий. Это позволяет получить величину энергии Е(. Затем, применив узкополосный фильтр, настроенный на частоту основного тона колебаний, осуществляют выделение из потока энергии Е( компоненты Е}.

В процессе изготовления и во время эксплуатации в железобетонной конструкции могут образовываться дополнительные поверхности раздела - дефекты (каверны, трещины и др.). Их появление и накопление изменяет динамические параметры изделия,

способствует возникновению различного типа поверхностных волн, приводит к накоплению и концентрации упругой энергии вблизи этих поверхностей. Динамика накапливания и рассеяния упругой энергии в конструкции может оцениваться по мощности, потребляемой энергии источником механических колебаний, или путем измерения потока упругой энергии. Оценка качества конструкций на основе сравнения энергии, накапливаемой контрольным и эталонным изделиями, позволяет получить «интегральное» описание физико-механических свойств исследуемой конструкции.

Предложенный подход дает возможность построения методики испытаний на автоматизированных стендах, предназначенных для неразрушающего вибрационного контроля физико-механических свойств изделий, и может быть использован при создании средств контроля демпфирующих свойств конструкций.

При проведении вибрационного контроля качества натурных строительных конструкций чаще всего используется режим свободных колебаний, недостатком которого является наличие начальной нестабильной зоны переходного колебательного процесса, что приводит к потере наиболее ценной информации, поскольку значения динамических параметров приходится получать по хвостовому участку виброграммы. В работе предложен и исследован «мягкий» способ перехода от вынужденных колебаний к свободным, когда срыв вынужденных колебаний (на резонансной частоте) осуществляется в момент достижения максимума колебательного отклонения вибровозбудителя (то есть, когда фаза колебаний равна л/2 или Зя/2).

а б

Рисунок 9

На рисунках 9-а и 9-6 представлен графический анализ результатов вибрационного контроля (с использованием поперечных колебаний) железобетонной балки 1100x120x50 мм, соответственно полученных до и после проведения ее статических испытаний на трещиностойкость, где по оси ординат откладывается колебательная мощность, а по оси абсцисс время. Контрольные точки на всех кривых затухания соответст-

вуют максимумам энергии каждого периода, а нулевое значение абсциссы - пиковым значениям колебательных мощностей, вводимых в изделия, с которых осуществлялся «мягкий» переход к режиму свободных колебаний. В качестве интегральной оценки потерь энергии колебательной системы предлагается использовать величину площади, ограниченную огибающей кривой и прямой, соответствующей конкретному уровню мощности стационарного режима колебаний. При определении декрементов колебаний именно этот уровень следует принимать за начальный.

Из анализа представленных огибающих кривых следует, что процесс затухания колебаний явно энергозависим, на что указывает и факт снижения частоты затухающих колебаний с ростом энергии возбуждения (наклон вправо веера прямых, относящихся к максимумам одних и тех же периодов колебаний). Сопоставление угла наклона этих прямых позволяет выявить его зависимость от определенных физико-механических свойств материала изделий. Характерной особенностью рассматриваемого процесса является также и проявление зависимости скорости затухания свободных колебаний от величины энергии накачки. Для верхних огибающих кривых, соответствующих максимальному уровню вводимой энергии, снижение его в 10 раз происходит приблизительно за 3 периода для добротного изделия и за 2 - для дефектного. Отмеченные особенности изменения параметров колебательного процесса на практике позволяют прогнозировать изменения физико-механических свойств контролируемых объектов (например, приводящих к трещинообразованию).

Известное требование соблюдения единства условий проведения вибрационных испытаний изгибаемых железобетонных конструкций (равнонагруженности испытываемых конструкций) в работе предлагается представить как условие равенства колебательных энергий, вводимых в них, а условие достижения фибровыми напряжениями в бетоне уровня не менее 5% от расчетного - назначением минимально возможного уровня вводимой энергии в однотипные изделия. Для организации испытаний по рассмотренной схеме предложено использовать специальное устройство, с помощью которого для каждой конструкции перед испытанием можно определять индивидуальный коэффициент жесткости, а с учетом заранее известной величины нормированной энергии -вычислять предварительный прогиб конструкции, который будет равен максимальной амплитуде прогиба для изделия конкретного типа.

К примеру, для системы с одной степенью свободы, движение которой описывается дифференциальным уравнением

шх + сх + ух3 + цх = f (t), где использованы общепринятые обозначения в динамике строительных конструкций,

на рисунке 10-а приведена виброграмма колебаний эталонного изделия при следующих значениях параметров: m = 1, р = 0,2, у = 0,001, с = 10, f(t) = cos(cot), а на рисунке 10-6 -изделия, жесткость которого выше эталонного на 10% (с = 11). Из рисунков видно, что амплитуды колебаний эталонного и дефектного изделий отличаются в 1,5 раза. Таким образом, по отличию амплитуд колебаний эталонного и дефектного изделий можно судить об уровне рассеяния упругой энергии в них.

■11|И|ШУ11' 11111

05------f - 4- ----- -ffff- -ГПТ Т ..............

-0 5 -1 -15

б

Рисунок 10

Использование этого физического эффекта существенно повышает информативность вибрационного контроля строительных конструкций за счет более полного исследования ее физико-механических свойств.

Пятая глава посвящена разработке новых и модификации существующих способов вибрационного контроля качества железобетонных конструкций с использованием поперечных колебаний. В ней приводятся результаты экспериментальных исследований 24-х железобетонных плит пустотного настила типа ПК при различной величине предварительного напряжения арматуры, анализируются закономерности и функциональные связи показателей качества контролируемых железобетонных конструкций (жесткости, трещиностойкости и прочности) с величиной предварительного напряжения арматуры и

I

I

шп

й

3

динамическими параметрами конструкций.

Было предусмотрено проведение испытаний двух типов железобетонных плит, отличающихся размерами: плит ПК 8-58-12 и ПК 8-58-15 (две партии по 12 штук для каждого типа). В экспериментальной партии были изготовлены и эталонные плиты с проектной величиной предварительного напряжения арматуры. Армирование плит осуществлялось в соответствия с альбомом чертежей серии ИИ-04-4, выпуск 19. В каждой партии были изготовлены четыре серии плит с заданной величиной предварительного напряжения арматуры ст^: плиты первой серии при о\,р = 1,1сто,, второй - при <т5р = сто, третьей при ст^, = О,9ст0, четвертой - при ст,р = 0. Все изделия изготавливались в заводских условиях под строгим контролем всех технологических операций.

Арматурные стержни были подготовлены для тензометрирования, для чего к каждому стержню перед его натяжением на упоры были прикреплены тензорезисторы. Перед формованием плит с помощью цифрового измерителя деформаций были индивидуально зафиксированы начальные показания величин деформаций для каждого арматурного стержня. В процессе механического натяжения арматуры в опалубке снималась тарировочная зависимость величины предварительного напряжения арматуры сгар в диапазоне 0... 1,1 Сто, контролируемой измерителем низкочастотных колебаний, от величины деформации. После укладки бетона и тепловлажностной обработки плит уже на испытательном стенде тензорезисторы были вновь подключены к измерителю деформаций с •целью определения по тарировочной зависимости фактической величины предварительного напряжения арматурных стержней.

После установки плиты на стенде определялись ее динамические параметры в не-нагруженном состоянии. Затем плиты пригружались равномерно распределенной нагрузкой в виде мелкоразмерной тротуарной железобетонной плитки. После очередной ступени нагружения перед началом динамических испытаний проводились измерения максимального прогиба плиты, контролировался момент появления трещин и величина их раскрытия. После этого определялись динамические параметры. Расчет основной частоты { и логарифмического декремента колебаний 5 производился по регистрируемым виброграммам свободных затухающих колебаний.

При планировании и проведении экспериментальных исследований использовались методы математической статистики по обработке результатов испытаний.

В целом закономерности, выявленные при испытаниях плит ПК 8-58-12 и ПК 8-58-15, оказались идентичными. На рисунке 11 приводятся зависимости - Р, ■*?<) - Р, 5 - Р, 8 - { для плиты ПК 8-58-12 при сг,р = ст0, на рисунке 12 - зависимость - {, а на рисунке 13 - зависимости со - ст,р, - <?шр, Рф - о^, Рпр - сг»р в интервале величин предварительного напряжения арматуры 0,9сто ¿ст^,^ 1,1оо.

Анализ результатов экспериментального исследования плит пустотного настила позволил сформулировать следующие выводы:

WoJMM 40

35

25

"V 1 ■

-Л Ун ... , ! •

1

1

__ \ 1 1

__ \

1......1.. 1 4+ и •

—^ ^ : 1 — ——

Г, Гц

Рисунок 12

1 Рост величины предварительного напряжения арматуры от ст,р = О (ненапряженные плиты) до <т1р= 1,1а0 приводит к увеличению основной частоты колебаний при всех уровнях нагружения.

2 Предварительно напряженные железобетонные плиты работают как упругие элементы до тех пор, пока внешние нагрузки не вызовут появление трещин в рас-

тянутой зоне бетона; достаточно строгая функциональная зависимость 5 - Г наблюдается только в упругой стадии работы конструкции.

Р,-сг.

3 При работе плиты как упругого элемента с ростом величины предварительного напряжения логарифмический декремент колебаний уменьшается. После появления трещин в растянутой зоне бетона на графиках 5 - Р и 5 - Г появляются резкие скачки, которые не строго согласуются с характерными этапами работы железобетона под нагрузкой.

4 Сопоставление графиков {-Р и \у0 - Р говорит об их подобии, что убедительно подтверждают теоретические выводы о функциональной связи Г -

5 Появление трещин в растянутой зоне бетона существенно не сказывается на изменении основной частоты колебаний, так же как и появление пластических деформаций в бетоне и арматуре. Закономерности Г - Р и Г - являются монотонно убы-

вающими вплоть до разрушения конструкции.

6 Изменение показателей качества контролируемых плит в интервале изменения величины предварительного напряжения арматуры от а5р= 0,9а„ до 1,1 а0 носит практически линейный характер. Поэтому при оценке показателей качества для плит серийного изготовления можно использовать линейную интерполяцию величины

7 На основе полученных экспериментальных данных построены аппроксимирующие функции 1У0 - Р и \*г0 - {:

\у0 = 2,276 + 0,00094Р21пР, (мм);

= 132,91-42^+4,77^ -0,18^, (мм),

где Р подставляется в кН, а Г в Гц, которые можно использовать для автоматизации расчетов при определении интегральных характеристик плит.

8 Резонансные частоты в режиме вынужденных колебаний и основные частоты в режиме свободных колебаний очень близки между собой в достаточно большом диапазоне вводимых энергий. Декременты же колебаний значительно отличаются друг от Друга.

На основании этих выводов даны рекомендации по применению вибрационных методов с соблюдением условий равноэнергетического возбуждения колебаний в конструкциях.

Для длинномерных железобетонных конструкций разработан способ вибрационного контроля качества, который заключается в использовании дополнительной промежуточной шарнирно подвижной опоры, которая может перемещаться между крайними опорами и занимать любые фиксированные положения. При совпадении дополнительной опоры с сечением контролируемой конструкции, содержащим дефект, динамические параметры конструкции существенно отличаются от соответствующих параметров при симметричном расположении дополнительной опоры относительно обнаруженного дефекта. Приведен пример реализации предложенного способа на модели.

В завершении пятой главы рассмотрены вопросы совершенствования методик определения динамических параметров конструкций при проведении вибрационных испытаний путем автоматизированного построения огибающих регистрируемых колебаний с осуществлением их двухполупериодного детектирования. Рекомендуется эту методику применять с использованием вычислительной техники.

В шестой главе исследуются вопросы использования для вибрационного контроля качества железобетонных конструкций продольных колебаний звукового диапазона. При этом процедура и методика контроля остается той же, что и при использовании поперечных колебаний.

Был проведен большой объем экспериментальных исследований, в ходе которых было установлено, что частота и декремент продольных колебаний конструкции также являются весьма информативными параметрами, зависящими от ее добротности. Оказалось, что показатели качества (прочность, жесткость, трещиностойкость и величина предварительного напряжения арматуры) конструкции функционально зависят от резонансной частоты и декремента продольных колебаний и от изменения динамических параметров за счет влияния различных режимов возбуждения колебаний.

Благодаря возбуждению в железобетонных конструкциях продольных колебаний расширяется область использования методов неразрушающего вибрационного контроля качества за счет их распространения на конструкции не только постоянной, но и переменной по длине жесткости, а также конструкций, испытывающих в условиях эксплуатации любое (простое или сложное) напряженное состояние.

Показано, что при использовании продольных колебаний существенно упрощается процесс неразрушающего контроля, снижаются затраты на проведение испытаний, повышается точность результатов контроля и улучшаются условия труда оператора-контролера. Это достигается за счет простоты устранения влияния паразитных сетевых наводок, отказа от использования нестандартных и узкоспециализированных средств первичного преобразования виброперемещений, измерительных и регистрирующих приборов, рассчитанных на низкочастотный звуковой или даже инфразвуковой диапазоны. В связи с повышением на порядок рабочих частот колебательных процессов выполняются санитарные нормы и требования по охране труда.

Для повышения информативности предлагаемого способа вибрационного контроля целесообразно осуществлять сопоставление динамических параметров контролируемой и эталонной конструкций, получаемых в режиме вынужденных (резонансных) и свободных затухающих (на стадии переходного процесса) колебаний. Особенно эффективно применение продольных колебаний для контроля величины предварительного напряжения арматуры перед формованием конструкции и после ее замоноличивания. При этом для заданного класса арматуры на эталонном стержне снимают зависимости Г - с^р и 5 - а5р путем дискретного изменения создаваемого в нем напряжения от нуля до предельно допустимого значения (^р)™^. В дальнейшем эти эталонные зависимости используют для нахождения величины ст5р по известным значениям динамических параметров Гиб, измеренным на арматуре того же класса. Характер поведения динамических параметров представлен на рисунке 14.

Не менее эффективным применение продольных колебаний оказалось при разра-

ботке способа контроля трещнностойкости железобетонных конструкций. Этот способ сочетает в себе элементы вибрационного воздействия с элементами статического на-гружения.

Момент начала трещи-нообразовгния можно оценить по характеру изменения динамических параметров конструкции в зависимости от интенсивности возрастающей равномерно распределенной нагрузки Р. На рисунке 15 приведены графические зависимости Г - Р и 5 - Р, построенные по результатам испытаний железобетонной перемычки типа 8ПБ-13-1. Из рисунков видно, что при некотором значении нагрузки Р] происходит «излом» кривой Г - Р, а излом кривой 5 -Р происходит при немного большей нагрузке и соответствует началу трещинообразования. Используя графическую зависимость Кии- Р, можно также прогнозировать момент начала трещинообразования.

Рисунок 14

к».*/. 15 -

С Гц 1100-

1000-

КР) ч Г я--

Я ¿X <* '1 .>0

/,/ \ 1

к » »

КЦ1 1 1

м»-» л* У чг<Р) Л •А г-

РМ 1 ?, |Р2

Р, кН/м

Рисунок 15

В этой же главе исследованы вопросы динамики конструкций, закрепленных на податливых опорах (подвесах), не препятствующих виброперемещениям, с изменением расстояния между ними. Экспериментально установлено, что при одноцикличном изменении расстояний между подвесами Ь„ наблюдается явление гистерезиса в зависимостях Г - Ь„ и 5 - Ь„. При этом показано, что степень гистерезисности этих зависимостей связана с качеством контролируемого объекта, - для добротного изделия она существенно меньше, чем для дефектного. Благодаря закреплению железобетонного изделия на подвесах упрощается процедура закрепления конструкции, полностью исключается

влияние крутильных колебаний и посторонних резонансов, снижается влияние сухого трения в опорных узлах, уменьшается уровень вводимой колебательной энергии, что в итоге приводит к увеличению точности определения динамических параметров.

По рассмотренному методу приведены результаты экспериментальных исследований железобетонной перемычки.

В седьмой главе предложены и исследованы нетрадиционные способы динамического воздействия на конструкции. Среди них: способ «качания» частоты вынужденных колебаний между частотами ^ и f2 туда и обратно с разными скоростями разгона, когда значение собственной частоты колебаний ^ находится между ними; способ «сброса» частоты, когда происходит скачок частоты колебаний с меньшей на большую, с собственной частоты до нуля и с большей частоты на меньшую; способ вибрационного воздействия с помощью источников колебаний стохастического характера (случайная частота между частотами ^ и f2, «фрактальный» сигнал, «белый шум»).

При анализе работоспособности этих способов было проведено математическое моделирование колебательных процессов механических систем. При этом было установлено, что использование предложенных режимов возбуждения колебаний позволяет: более глубоко и всесторонне изучить динамику поведения конструкции, выявить особенности ее работы при определенных неблагоприятных сочетаниях вибрационных воздействий; повысить точность определения динамических параметров за счет повышения помехозащищенности средств измерений путем исключения влияния на контролируемый сигнал посторонних колебаний (различных помех и наводок, производственного «шума» и т. д.), лежащих за пределами используемого диапазона частот вынужденных колебаний; повысить информативность вибрационного метода контроля, а значит надежность и достоверность его результатов, за счет использования более широкого набора значений динамических параметров и возможности многократного повторения измерений, максимально исключающих влияние случайных факторов; снизить величину энергии, необходимую для возбуждения колебаний в конструкции за счет возможности оперативного подбора ее оптимального уровня и длительности приложения; обеспечить оперативное задание необходимого режима контроля за счет возможности осуществления однократного или многократного «качания» частоты вынужденных колебаний, смены формы сигнала, его режимных параметров и закона изменения; осуществлять оперативное определение частоты собственных колебаний конструкции в широком диапазоне колебательной энергии, сообщаемой конструкции, путем использования усредненной зависимости «основная частота копг^яни,Тг . "гтрит. тмгп-птп частоты ВЫ-

РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА С Петербург

09 800 мет ^^

нужденных колебаний», которая меняется в границах заданного частотного диапазона.

При проведении вычислительных экспериментов выявлены физические эффекты, которые могут быть использованы для повышения информативности вибрационного контроля, в частности показано, что: оценку значения собственной частоты колебаний конструкции можно получить с высокой степенью точности по спектру колебаний, поскольку его пик при любом воздействии четко выражен; наибольшее количество энергии переходит колебательной системе при изменении частоты возмущающей силы с большей на меньшую, а наименьшее - при «сбросе» частоты с собственной до нуля.

Установлена также функциональная связь среднего значения импеданса с коэффициентом вязкого трения материала строительной конструкции и предложен способ его оценки по этому физическому параметру. Показано, что: характер нагружения кон- (

струкции слабо влияет на сходимость среднего за период значения импеданса к значению коэффициента внутреннего трения; импеданс продольной нагрузки оценивает коэффициент внутреннего трения сверху, а импеданс поперечной нагрузки - снизу. ,

Использование разнообразных режимов возбуждения нестационарных колебаний в механических системах при решении различных задач прикладного и исследовательского характера открывает широкие возможности для применения средств вычислительной техники, поскольку в контролируемом объекте можно осуществлять возбуждение колебаний программно-формируемыми: сигналом с функционально изменяющейся по времени частотой и с заданными формами колебаний; режимными параметрами и законом их изменения. Применение ЭВМ позволяет производить оперативную обработку регистрируемой информации, отображение и протоколирование получаемых результатов в удобном для восприятия виде. Результаты отдельных вычислительных экспериментов подтверждены результатами динамических испытаний с использованием нетрадиционных режимов возбуждения колебаний.

В восьмой главе рассмотрены вопросы, связанные с разработкой нестандартных <

вспомогательных устройств и средств для проведения динамических испытаний строительных конструкций.

Разработан опытный образец устройства для измерения малых перемещений на основе оптоэлектронного преобразователя, который позволяет измерять перемещения (виброперемещения) в пределах 0,5...20 мм. Характерной его особенностью является наличие системы стабилизации выходной мощности излучателя и узла компенсации составляющей тока фотоприемника, соответствующей начальной базе установки элементов преобразователя перемещений. Конструктивно этот преобразователь может быть выполнен с подвижным модулирующим элементом в виде источника (приемника) излучения, или с подвижным модулирующим элементом в виде оптического клина. Работа излучающего и фотоприемного элементов оптоэлектронного преобразователя и всех электронных узлов устройства протекает в периодическом режиме (в последовательно-

сти автокоррекгировка нуля - измерение). Кроме того, для линеаризации измерительной характеристики преобразователя предусмотрена возможность дифференциального включения двух фотоприемников, регистрирующих световой поток от одного излучателя.

Разработан специализированный комплекс автоматизированного неразрушающе-го вибрационного контроля железобетонных конструкций с использованием поперечных и/или продольных колебаний на базе персонального компьютера типа IBM PC. Он содержит два идентичных канала регистрации информации, состоящих из первичного преобразователя механических колебаний контролируемого изделия в электрический сигнал, предварительного усилителя с управляемым коэффициентом усиления, блока фильтров, подключенных к соответствующим входам двухканального АЦП блока аналого-цифрового ввода-вывода, установленного в персональный компьютер. С помощью этого комплекса могут быть успешно реализованы разнообразные нестационарные режимы возбуждения колебаний. Его основное предназначение заключается в решении задач исследовательского характера, связанных с изучением динамических свойств строительных конструкций.

Сформулированы технические требования, на основании которых разработаны опытные образцы микропроцессорных приборов: для неразрушающего вибрационного контроля качества железобетонных конструкций; для контроля трещиностойкости плит (включая плиты дорожного и аэродромного покрытия). Важной особенностью первого прибора является возможность не только регистрировать динамические параметры конструкций и осуществлять по ним интегральную оценку показателей качества, но и формировать сигнал возбуждения, управляющий электродинамическим вибровозбудителем механических колебаний при реализации различных режимов возбуждения поперечных колебаний, а также производить измерения по двум каналам в режиме разделения регистрируемых результирующих колебаний и в режиме импульсного питания элементов первичного оптоэлектронного преобразователя виброперемещений. Структурная схема этого прибора представлена на рисунке 16.

'Однокристальная микроЭВМ с микросхемой ОЗУ, интерфейсом клавиатуры и индикации, преобразователем уровня, контроллером порта USB, а также подсистемой цифрового вывода и подсистемой аналогового ввода-вывода: мультиплексором, АЦП и ЦАП, представляет собой законченный в функциональном отношении универсальный блок управления - микроконтроллер (на схеме обведен пунктирной линией). Алгоритм его работы определяется программным обеспечением, хранимым во внутренней Flash-памяти программ микроконтроллера. При этом программное управление всеми узлами прибора реализуется посредством параллельного порта вывода. В качестве основного узла микроконтроллера использован КМОП вариант однокристальной микроЭВМ W77IE58 фирмы Winbond, а также логические микросхемы серий К564 и К1554.

Микроконтроллер

19

20

л:

X

21

ЯБ-232С

Сигнал управле? ия вибровозбудителем колебаний

18

17

16

Ж.

13

10

14

12 ф:

ШВ

Рисунок 16 - Структурная схема микропроцессорного прибора для неразрушающего вибрационного контроля и интегральной оценки качества железобетонных конструкций:

1 - первичный оптоэлектронный преобразователь; 2 - делитель напряжения; 3 - электронный коммутатор; 4 - предварительный усилитель; 5 - устройство выборки-хранения (УВХ); 6 — аналоговый двухканальный мультиплексор; 7 — АЦП; 8 - интерфейс клавиатуры и индикации; 9 - клавиатура управления процессом измерений; 10 - индикатор; 11 - преобразователь уровня; 12 - контроллер порта иБВ; 13 - ЦАП; 14 - энергонезависимое ОЗУ; 15 - однокристальная микроЭВМ; 16 - параллельный порт вывода; 17 - фильтр нижних частот; 18 - буферный усилитель; 19 - источник токовой накачки излучателя и обратного напряжения фотоприемника; 20 - источник образцового напряжения; 21 - блок питания

Прибор для контроля трещиностойкости по параметрам продольных колебаний конструкций во многом аналогичен прибору для неразрушающего вибрационного контроля качества железобетонных конструкций и по сути является его упрощенной модификацией. Принципиальное отличие этого прибора состоит в использовании только одного канала регистрации колебаний, индивидуального программного обеспечения, ввиду специфичности реализуемых режимов измерения, и в отсутствии источников импульсного питания первичного оптоэлектронного преобразователя виброперемещений (работа преобразователя осуществляется только в непрерывном режиме).

Кроме того, разработана принципиальная конструктивная схема универсального специализированного стенда для автоматизированного неразрушающего вибрационного контроля качества и надежности железобетонных конструкций. Это перспективная разработка основана на последних достижениях в области неразрушающего вибрационного контроля и интегральной оценки качества натурных железобетонных конструкций. Его внедрение позволит осуществлять поточные испытания серийно выпускаемых конструкций динамическим и статическим методами в условиях заводского производства.

В девятой главе разрабатываются алгоритмы и приводятся описания программ для автоматизированного аппаратно-программного измерительного комплекса, предназначенные для определения динамических параметров и интегральной оценки качества плоских изгибаемых железобетонных элементов с использованием традиционных и нестационарных режимов возбуждения колебаний. Программы написаны на языке Borland С++, при этом ее пользовательский интерфейс реализован с помощью объектно-ориентированной библиотеки Turbo Vision, а сама программа функционирует под управлением операционной системы MS-DOS.

В приложениях приводятся: результаты экспериментальных исследований и метрологического обеспечения при разработке и анализе работы первичных преобразователей перемещений на основе диодных оптопар; виброграммы колебаний и результаты экспериментальных исследований при динамических испытаниях 24-х железобетонных плит пустотного настила типа ПК; исходные тексты двух программ для ЭВМ («Определение динамических параметров плоских изгибаемых элементов в режиме нестационарных колебаний», «Интегральная оценка качества плоских изгибаемых железобетонных элементов по динамическим параметрам вибрационного контроля»).

Основные выводы

Обобщая результаты исследований, полученные в работе, можно сделать вывод о том, что в диссертации разработаны теоретические положения, совокупность которых

можно квалифицировать как новое крупное достижение в развитии научного направления по разработке, совершенствованию и применению неразрушающего вибрационного метода и средств контроля качества и диагностики состояния железобетонных конструкций балочного типа. Основные результаты исследований можно подразделить на две группы.

1. К первой группе относятся результаты, связанные с разработкой способов и приемов реализации методов вибрационного контроля качества и физико-механических свойств железобетонных конструкций:

1.1 Разработаны теоретические основы вибрационного метода контроля качества и физико-механических свойств железобетонных конструкций балочного типа с использованием поперечных колебаний. Предложены и обоснованы новые динамические критерии для диагностики железобетонных конструкций (коэффициент нелинейных искажений и коэффициент амплитудной модуляции колебательной системы) и даны рекомендации по их применению.

1.2 Разработан модифицированный метод проведения вибрационных испытаний конструкций с возбуждением в них поперечных колебаний, в основу которого положено использование аналитических зависимостей, связывающих контролируемые показатели качества железобетонных конструкций (прочность, жесткость, трещиностойкость и величина предварительного напряжения арматуры) с основной (резонансной) частотой колебаний конструкций.

1.3 Сформулирован и обоснован критерий равноэнергетического вибрационного воздействия на контролируемые конструкции и разработаны способы его практического использования.

1.4 Разработаны способы повышения точности определения динамических параметров плоских железобетонных плит (основной (или резонансной) частоты и декремента колебаний) путем осуществления их предварительного пригруза, а также выделения из регистрируемых результирующих колебаний крутильной компоненты, возникающей в изделиях с дефектом неплоскостности нижней грани.

1.5 Исследована возможность проведения вибрационных испытаний железобетонных конструкций с использованием продольных колебаний звукового диапазона частот и разработаны способы контроля трещиностойкости и величины предварительного напряжения арматуры (как на стадии пооперационного контроля, так и непосредственно в составе готовой конструкции) по параметрам продольных колебаний. Показа-

но, что при использовании продольных колебаний расширяется область применения методов неразрушающего вибрационного контроля, появляется возможность более полного выявления изменений физико-механических свойств контролируемых изделий, существенно упрощается процесс контроля и снижаются затраты на его проведение, повышается точность и помехозащищенность результатов контроля (особенно при использовании приема подвеса конструкций на податливых опорах), улучшаются условия труда операторов.

1.6 Разработаны способы комплексного вибрационного контроля качества и диагностики железобетонных конструкций с использованием поперечных и продольных колебаний при различных режимах их возбуждения.

1.7 Проведен большой объем экспериментальных вибрационных исследований натурных железобетонных конструкций с целью практической отработки предложенных методик и способов испытаний. Результаты экспериментальных исследований подтвердили в целом теоретические выводы, полученные в работе.

2 Ко второй группе относятся результаты, связанные с разработкой инструментальных и программных средств неразрушающего вибрационного контроля:

2.1 Разработаны надежные в работе, помехоустойчивые и универсальные в эксплуатации средства первичного преобразования перемещений (виброперемещений) на основе нестандартных оптоэлектронных пар инфракрасного диапазона с открытым оптическим каналом, в том числе с дополнительным подвижным модулирующим элементом, выполненным на просвечиваемой или отражающей основе в виде оптического клина с требуемым законом изменения оптической плотности, и проведен тщательный экспериментальный анализ их работоспособности при различных импульсных режимах работы.

2.2 Исследованы свойства модулирующих основ, используемых в качестве подвижного модулирующего элемента измерительных оптоэлектронных преобразователей, и выработаны рекомендации по их применению.

2.3 Разработаны специализированные модулирующие элементы оптоэлектронных преобразователей, позволяющие существенно повысить точность определения динамических параметров конструкций, и предложены способы их изготовления.

2.4 Разработан и апробирован в условиях заводского производства опытный образец микропроцессорного прибора для неразрушающего вибрационного контроля качества и интегральной оценки прочности, жесткости, трещиностойкости и величины предварительного напряжения арматуры железобетонных конструкций балочного типа по параметрам поперечных колебаний, а также его упрощенная модификация для кон-

троля трещиностойкости плит (включая плиты дорожного и аэродромного покрытия) и измерения механических напряжений в арматуре по параметрам продольных колебаний.

2.5 Разработана конструкция универсального стенда для неразрушающего вибрационного контроля качества железобетонных плит перекрытия и покрытия на базе специализированного аппаратно-программного измерительного комплекса, внедрение которого позволит осуществлять поточные испытания серийно выпускаемых конструкций динамическим (с использованием поперечных и/или продольных колебаний) и статическим методами в условиях заводского производства.

2.6 Разработаны алгоритмы и специализированные программные продукты для измерительных комплексов на базе персонального компьютера типа IBM PC для проведения динамических испытаний и интегральной оценки качества железобетонных конструкций при различных режимах возбуждения продольных и поперечных колебаний.

Результаты исследований, представленные в диссертации, опубликованы в 97 научных работах, 18 авторских свидетельствах и патентах на изобретения, на 2 программы для ЭВМ получены свидетельства об официальной государственной регистрации. Основные работы:

Статьи

1. Слюсарев Г.В., Коробко В. И.. Идрисов Н.Д. Интегральная оценка качества предварительно напряженных плит перекрытия вибрационным методом // Изв. вузов. Строительство и архитектура, 1990,- №6.-С. 104-107.

2. Слюсарев Г.В., Коробко В.И. Состояние и перспективы развития неразрушающего вибрационного метода интегральной оценки качества железобетонных конструкций // Изв. вузов. Строительство, 1995. - № 5-6. - С. 3-12.

3. Слюсарев Г.В. Модифицированный вибрационный метод интегральной оценки качества железобетонных изделий с применением продольных колебаний // Изв. вузов. Строительство, 1995.- №5-6.-С. 122-125.

4. Слюсарев Г.В, Определение трещиностойкости сборных железобетонных изделий с использованием вибрационного контроля // Изв. вузов. Строительство, 1996. - № 3. -С. 126-130.

5. Слюсарев Г.В. Вибрационный стенд автоматизированного неразрушающего контроля // Изв. вузов. Строительство, 1997. - № 10. - С. 130-135.

6. Слюсарев Г.В. Контроль усилия натяжения арматуры по параметрам продольных колебаний //Изв.вузов.Строительство, 1997,- № 12.-С. 117-122.

7. Слюсарев Г.В. Коробко В.И. Тиняков C.B. Перспективы развития вибрационного метода диагностики и контроля качества строительных конструкций // Материалы 2-х Международных академических чтений «Новые энергосберегающие архитектурно-конструктивные ре-

шения жилых и гражданских зданий» (Орел, 2003). - Орел: РААСН, 2003.-С. 211-218.

8. Слюсарев Г.В., Коробко В.И., Юров А.П. Диагностика строительных конструкций вибрационным методом с использованием продольных воля звукового диапазона // Материалы 2-х Международных академических чтений «Новые энергосберегающие архитектурно-конструктивные решения жилых и гражданских зданий» (Орел, 2003). - Орел: РААСН, 2003. -С. 219-222.

9. Слюсарев Г.В., Коробко В.И. Нелинейные колебания упругих систем и нестационарные режимы возбуждения колебаний / Сб. научн. тр. центр, регион, отд. РААСН. - Вып. 2. -М., 2003. -С. 36-49.

10. Слюсарев Г.В. Учет энергетических условий возбуждения колебаний при реализации методов вибрационного контроля качества строительных конструкций / Сб. научн. тр. центр, регион, отд. РААСН. - Вып. 2. - М., 2003. - С. 68-76.

Труды международных и всероссийских конференций

11. Слюсарев Г.В. Вибрационный метод контроля железобетонных изделий с подвеской их на гибких элементах / Материалы Ш-й Международной научной конференции «Материалы для строительных конструкций». - Днепропетровск, 1994. - 4.2. - С. 37-39.

12. Слюсарев Г.В. Интегральный метод контроля и оценки качества строительных изделий с использованием продольных колебаний / Материалы Ш-й Международной научной конференции «Материалы для строительных конструкций». - Днепропетровск, 1994. - 4.1. -С. 106-107.

13. Слюсарев Г.В. Оптоэлектронные измерительные преобразователи для регистрации циклических процессов в технике / Материалы П-й Международной конференции «Циклические процессы в природе и технике». - Ставрополь, 1994.-Ч.З.-С. 48-51.

14. Слюсарев Г.В. Оптимальный подход к использованию измерительных оптоэлек-тронных преобразователей в практике вибрационного контроля / Материалы П-й научно-технической конференции «Вибрационные машины и технологии». - Курск, 1995.-С. 81-88.

15. Слюсарев Г.В. Учет энергетических условий возбуждения колебаний при проведении вибрационного контроля в строительстве / Материалы П-й научно-технической конференции «Вибрационные машины и технологии». - Курск, 1995. - С. 153-159.

16. Слюсарев Г.В. Оценка трещиностойкости бетонных и железобетонных конструкций по параметрам вибрационного контроля / Материалы научно-технической конференции «Механика и новые технологии». - Севастополь, 1995. - С. 92-95.

17. Слюсарев Г.В. Интегральная оценка качества и надежности железобетонных изделий с использованием автоматизированных средств вибрационного контроля / Материалы Международной научно-технической конференции «Развитие строительных машин, механизация и автоматизация строительства». -М:, 1996-С. 155-158.

18. Слюсарев Г.В. Исследование характеристик оптоэлектронных преобразователей перемещений при импульсных форсированных режимах питания их элементов / Материалы УШ-й научно-технической конференции (Датчики и преобразователи информации систем из-

мерения, контроля и управления». - М:, 1996. - 4.1. - С. 102-105.

19. Слюсарев Г.В. Комбинированный способ контроля трещин и трещинообразования в строительных материалах / Материалы Международной научно-технической конференции «Современные проблемы строительного материаловедения». - Казань, 1996. - Ч. 1. - С. 75-78.

20. Слюсарев Г.В. Использование амплитудной модуляции колебаний деформируемых тел при воздействии циклических нагрузок в практике вибрационного контроля / Материалы IV-й Международной конференции «Циклы природы и общества». - Ставрополь, 1996. - Ч. 1. -С. 319-322.

21. Слюсарев Г.В. Автоматизированный комплекс для исследования нестационарных колебательных процессов / Материалы региональной научно-технической конференции «Вузовская наука - Северо-Кавказскому региону». - Ставрополь, 1997. - С. 136-137.

22 Слюсарев Г.В. Совершенствование метода и средств неразрушающего вибрационного контроля качества железобетонных конструкций / Материалы 51-й Международной научно-технической конференции молодых ученых с участием студентов, аспирантов и докторантов. -Санкт-Петербург, 1997,-4.1.-С. 112-119.

23. Слюсарев Г.В. Устройство для измерения малых перемещений на основе оптоэлек-тронного преобразователя / Материалы DC-й научно-технической конференции «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления». - Москва, 1997. -С. 153-154.

24. Слюсарев Г.В. Микропроцессорный прибор для проведения вибрационного неразрушающего контроля строительных изделий и конструкций / Материалы УП-й Международной научно-технической конференции «Оптические, радиоволновые, тепловые методы и средства контроля природной среды, материалов и промышленных изделий». - Череповец, 1997. -С. 107-110.

25. Слюсарев Г.В. Вибрационный контроль железобетонных изделий с использованием нетрадиционной схемы их закрепления / Материалы ГО-й научно-технической конференции «Вибрационные машины и технологии». - Курск, 1997. - С. 134-137.

26. Слюсарев Г.В. Применение режима нестационарных вынужденных колебаний в практике вибрационного контроля / Материалы Ш-й научно-технической конференции «Вибрационные машины и технологии». - Курск, 1997. - С. 75-78.

27. Слюсарев Г.В. Получение тонкопленочных покрытий, используемых в приборах регистрации циклических перемещений / Материалы 1-й Международной научной конференции «Циклы». - Ставрополь, 1999. - 4.2. - С. 61-63.

28. Слюсарев Г.В. Использование нестационарных режимов нагружения в анализе колебаний упругих тел / Материалы 2-й Международной научной конференции «Циклы». -Ставрополь, 2000. - Ч. 2. - С. 80-84.

29. Слюсарев Г.В., Коробко В.И., Павленко A.A. Анализ развития неразрушающего вибрационного метода интегральной оценки качества железобетонных конструкций / Сборник трудов Международной научно-технической конференции «Проблемы строительного и дорожного комплексов». - Брянск: БГИТА, 1998. - С. 324-330.

30. Слюсарев Г.В. Нелинейные колебания упругих тел при вибрационном воздействии / Материалы 5-й Международной конференции «Нелинейные колебания механических систем» - Нижний Новгород, 1999. - С. 204-205.

31. Слюсарев Г.В. Нестационарные колебания балок при вибрационных нагрузках / Материалы 5-й Международной конференции «Нелинейные колебания механических систем» -Нижний Новгород, 1999. - С. 205-206.

32. Слюсарев Г.В. Использование нестационарных режимов нагружения в анализе колебаний упругих тел / Материалы 2-й Международной научной конференции "Циклы". -Ставрополь, 2000. - 4.2. - С. 80-81.

33. Слюсарев Г.В. Оценка физико-механических характеристик упругих систем при нелинейных колебаниях / Материалы 2-й Международной научной конференции "Циклы". -Ставрополь, 2000. - 4.2. - С. 82-84.

34. Слюсарев Г.В. Анализ сложных колебаний при резонансных испытаниях строительных изделий / Международный симпозиум "Надежность и качество 2002". - Пенза, 2002. - С. 407.

35. Слюсарев Г.В. Нелинейные колебания балок и стержней при вибрационных нагрузках/Международный симпозиум "Надежность и качество 2002". - Пенза, 2002.-С. 410-411.

36. Слюсарев Г.В. Энергетические методы оценки физико-механических свойств упругих конструкций при вибрационных испытаниях / Международный симпозиум "Надежность и качество 2002". - Пенза, 2002. - С. 412-413.

Депонированные рукописи

37. Слюсарев Г.В. Широкополосный измеритель перемещений. - Ставрополь: СтПИ., Деп. в ЦНИИТЭИ приборостроения 20.10.86, № 3959-пр. - 22 с.

38. Слюсарев Г.В., Коробко В. И., Крылович В.И. Исследование свойств элементов опто-пары, оптимизация режимов работы последних и устройства формирования импульсов тока накачки на предмет существенного повышения чувствительности и расширения динамического диапазона измерений. - Ставрополь: СтПИ., Деп. в ЦНИИТЭИ приборостроения 29.12.86, №3615-пр.-52 с.

39. Слюсарев Г.В., Коробко В.И. Выявление свойств диафрагмируемых оитопар для оптимального практического использования в первичных преобразователях перемещений (виброперемещений). - Ставрополь: СтПИ., Деп. в ЦНИИТЭИ приборостроения 26.02.87, № 3691-пр. - 16 с.

40. Слюсарев Г.В., Коробко В.И. Фотоматериалы как основа для получения оптических клиньев - элементов первичных преобразователей перемещений (виброперемещений) и рекомендации по применению. - Ставрополь: СтПИ., Деп. в ЦНИИТЭИ приборостроения 20.10.87, № 3959-пр.-22 с.

Авторские свидетелыпсва и патенты

41. А. с. № 1516800 СССР, Кл. О 01 Н 17/00. Способ регистрации колебаний и разделения их на компоненты / Г.В. Слюсарев, В.И. Коробко; Опубл. 03.10.89, Бюл № 39.

42. А. с. № 1613902 СССР, Кл. в 01 М 7/00. Способ определения собственных частот из-гибных колебаний элементов конструкций на стенде / Г.В. Слюсарев, Н.Д. Идрисов,

В .И. Коробко; Опубл. 15.12.90, Бюл. № 46.

43. А. с. № 1640595 СССР, Кл. G 01 N 3/32. Способ контроля жесткости на изгиб железобетонных элементов / В.И. Коробко, Г.В. Слюсарев, Н.Д. Идрисов, А.Н. Хусточкин; Опубл.

07.04.91, Бюл. № 14.

44. А. с. № 1714428 СССР, Кл. G 01 N 3/32. Способ контроля несущей способности при изгибе железобетонного элемента / Н.Д. Идрисов, В.И. Коробко, Г.В. Слюсарев; Опубл.

23.02.92, Бюл. № 7.

45. А.с. № 1714428 СССР, Кл. G 01 N 3/32. Способ контроля несущей способности при изгибе железобетонного элемента / В.И. Коробко, Г.В. Слюсарев, Н.Д. Идрисов; Опубл. 23.02.92, Бюл. № 7.

46. Патент РФ № 2029931, Кл. G 01 L 1/00. Способ определения величины преднапря-жения арматуры в готовой строительной конструкции / В.И. Коробко, Г.В. Слюсарев; Опубл. 27.05.95, Бюл. № 15.

47. Патент РФ № 2036462, Кл. G 01 N 3/32. Способ интегральной оценки качества предварительно напряженных изгибаемых железобетонных элементов и устройство для его реализации/В.И. Коробко, Г.В. Слюсарев; Опубл. 27.05.95, Бюл. № 15.

48. Патент РФ № 2051345, Кл. G 01 L 5/04. Способ испытания протяженных строительных конструкций / В.И. Коробко, Г.В. Слюсарев, C.B. Бояркина; Опубл. 27.12.95, Бюл. №36.

49. Патент РФ № 2066860, Кл. G 01 N 3/32. Способ определения трещиностойкости / В.И. Коробко, Г.В. Слюсарев; Опубл. 20.09.96, Бюл.. № 26.

50. Патент РФ № 2073218, Кл. G 01 N 29/04. Способ определения величины преднапря-жения в готовой строительной конструкции / Г.В. Слюсарев; Опубл. 10.02.97, Бюл. № 4.

51. Патент РФ № 2075902, Кл. G 01 L 1/00. Способ контроля качества готового предварительно напряженного железобетонного изделия / Г.В. Слюсарев: Опубл. 20.03.97, Бюл.. № 8.

52. Патент РФ № 2085880, Кл. G 01 L 5/04. Способ испытания протяженных строительных конструкций / Г.В. Слюсарев; Опубл. 21SY1.91, Бюл. № 21.

53. Патент РФ № 2131599, Кл. G 01 N 3/32. Способ неразрушающего контроля качества готового железобетонного изделия / Г.В. Слюсарев; Опубл. 10.06.99, Бюл. № 16.

54. Патент РФ № 2160893, Кл. G 01 N 3/32. Способ неразрушающего контроля качества готового железобетонного изделия / Г.В. Слюсарев; Опубл. 20.12.2000, Бюл. № 35.

Программные продукты

55. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 990084 от 24.02.99. «Определение динамических параметров плоских изгибаемых элементов в режиме нестационарных колебаний» (VTBRTEST) / Г.В. Слюсарев.

56. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 990551 от 30.07.99. «Интегральная оценка качества плоских изгибаемых железобетонных элементов по динамическим параметрам вибрационного контроля» (INTTEST) / Г.В. Слюсарев.

Подписано к печати 15.09.03 г. Формат 60x84. 1/16 Усл. печ. л. - 2,75. Уч.-изд. л. - 2,2. Тираж 100 экз. Бумага офсетная. Северо-Кавказский государственный технический университет г. Ставрополь пр. Кулакова, 2

Типография СевКавГТУ

и I

о

i

I

- f\

Р14А 3 б

i '

Введение

I Краткий аналитический обзор развития неразрушающих методов 20 контроля качества строительных конструкций и средств для их осуществления

1.1 Методы неразрушающих испытаний образцов и строительных 20 конструкций

1.2 Промышленные средства измерений для проведения неразрушающих 37 вибрационных испытаний строительных конструкций

1.3 Цели и задачи исследования

II Теоретические основы вибрационного метода контроля прочности, жесткости, трещиностойкости и величины предварительного напряжения железобетонных конструкций

2.1 Приведение задач технической теории пластинок к изопериметрическому виду

2.2 Функциональная связь максимального прогиба пластинок и балок с их основной (резонансной) частотой колебаний

2.3 Контроль жесткости конструкций балочного типа

2.4 Приближенный способ определения трещиностойкости, прочности и величины предварительного напряжения железобетонных конструкций балочного типа

2.5 Осуществление дополнительного пригруза при испытании железобетонных плит

2.6 Анализ сложных колебаний при вибрационных испытаниях железобетонных плит

2.7 Коэффициент нелинейных искажений колебательной системы как критерий оценки качества готовой строительной конструкции

2.8 Применение амплитудной модуляции с использованием поперечных и продольных колебаний

2.9 Перспективные способы вибрационного контроля качества 84 и диагностики железобетонных конструкций

2.9.1 Применение акустической эмиссии

2.9.2 Способ разделения резонансных кривых, характерных для бетона 88 и арматуры в железобетонных конструкциях

2.9.3 Определение декремента колебаний в условиях слабой связи 90 конструкции с вибровозбудителем колебаний

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Проблема контроля качества строительных конструкций всегда имела актуальное значение, поскольку именно качество определяет уровень развития современного строительного производства. В настоящее время в нашей стране существует система выборочного контроля предварительно напряженных железобетонных конструкций балочного типа, которая регламентируется ГОСТом 8829-94, когда из конструкций определенной партии выбираются для контроля лишь несколько изделий. Согласно требованиям ГОСТ 8829-94 эти изделия испытываются методом статического нагружения до разрушения. Такой метод контроля неэффективен из-за своей неэкономичности, а также не высокой надежности и достоверности результатов контроля.

Более выгодны с экономической точки зрения неразрушающие методы испытания конструкций, среди которых особое место занимают вибрационные (резонансные) методы. Современный теоретический уровень знаний в области вибрационных технологий и экспериментальной механики достаточно высок. Вибрационные методы очень эффективно используются в машиностроении, где достигнуты весьма существенные результаты. Однако в строительном комплексе страны эти технологии практически не используются. Более того, в последние годы организация контроля качества железобетонных конструкций на ЗЖБИ существенно ухудшилась. На многих предприятиях резко сократилась численность служб ОТК, практически повсеместно не проводится пооперационный контроль по полной технологической схеме, да и государственный контроль со стороны Госстроя России и Госстандарта России по этому вопросу значительно снизился.

Основными причинами такого положения являются: отсутствие приемлемых научных разработок по применению вибрационных методов для контроля качества строительных конструкции конкретных видов; отсутствие надежного и удобного в эксплуатации приборного комплекса и средств контроля для проведения динамических испытаний; низкая культура производства на предприятиях стройиндустрии; отсутствие у производственников мотивации в повышении качества строительных конструкций; слабая законодательная база по ответственности за низкое качество конструкций.

В связи с указанными недостатками в области организации контроля качества на предприятиях строительной индустрии на первый план выходит проблема, связанная с разработкой теоретических основ, развитием и совершенствованием вибрационных методов диагностики и контроля качества строительных конструкций (в частности, предварительно напряженных железобетонных), а также разработкой надежного и удобного в эксплуатации приборного комплекса и средств контроля для реализации этих методов.

Объекты исследования. Объектами исследования являются: предварительно напряженные железобетонные конструкции балочного типа, а также методы и средства для реализации неразрушающего вибрационного контроля железобетонных конструкций.

Целью исследования является развитие и применение неразрушающих вибрационных методов для контроля качества и диагностики состояния предварительно напряженных железобетонных конструкций балочного типа.

Для достижения указанной цели необходимо решить два комплекса задач. Первый из них включает задачи, связанные с разработкой способов и приемов реализации методов вибрационного контроля качества и физико-механических свойств железобетонных конструкций; второй - задачи, связанные с технической реализацией этих способов.

К первому комплексу задач относятся:

- разработка теоретических основ вибрационного метода применительно к задачам контроля качества и физико-механических свойств железобетонных конструкций балочного типа;

- разработка способов повышения точности определения динамических параметров железобетонных конструкций балочного типа (основной (или резонансной) частоты и декремента колебаний) за счет: выделения из регистрируемых результирующих колебаний информации о крутильных колебаниях; осуществления дополнительного пригруза конструкции перед проведением динамических испытаний;

- определение критериев равноэнергетического вибрационного воздействия на контролируемые конструкции и разработка способов их практической реализации;

- модификация существующих способов обработки регистрируемой информации при проведении вибрационных испытаний конструкций за счет использования прямых аналитических зависимостей, связывающих контролируемые показатели качества железобетонных конструкций (прочность, жесткость, трещиностойкость и величина предварительного напряжения арматуры) с их динамическими параметрами;

- исследование возможности проведения вибрационных испытаний железобетонных конструкций с использованием продольных колебаний звукового диапазона и разработка способов контроля их качества при различных режимах возбуждения колебаний;

- разработка способов комплексного вибрационного контроля показателей качества и физико-механических свойств железобетонных конструкций с использованием поперечных и продольных колебаний при различных режимах их возбуждения;

- разработка приемов и способов закрепления контролируемых конструкций, позволяющих упростить процедуру закрепления их на опорах; снизить акустическую связь опорных зон между собой и с испытуемым изделием; улучшить форму регистрируемых колебаний; снизить величину энергии, необходимой для возбуждения колебаний; повысить помехозащищенность средств измерения; улучшить условия труда операторов;

- исследование возможности использования в качестве эталонной конструкции изделия серийного изготовления;

- разработка способов контроля железобетонной конструкции балочного типа с целью выявления места расположения дефекта по ее длине.

Ко второму комплексу задач относятся:

- разработка конструктивно простых, надежных в работе, помехоустойчивых и универсальных в эксплуатации средств первичного преобразования перемещений (виброперемещений) с возможностью варьирования в широких пределах чувствительностью и динамическим диапазоном перемещений;

- исследование и оптимизация импульсных режимов работы измерительных преобразователей на основе нестандартных оптоэлектронных пар инфракрасного диапазона с открытым оптическим каналом;

- исследование свойств модулирующих основ, используемых в качестве дополнительного подвижного модулирующего элемента измерительных оптоэлектронных преобразователей;

- разработка специализированных модулирующих элементов измерительных оптоэлектронных преобразователей и способов их изготовления в виде оптического клина с требуемым законом изменения оптической плотности;

- разработка прибора для неразрушающего вибрационного контроля и интегральной оценки прочности, жесткости, трещиностойкости и величины предварительного напряжения арматуры железобетонных конструкций балочного типа по параметрам поперечных колебаний;

- разработка прибора для неразрушающего вибрационного контроля трещиностойкости железобетонных конструкций и измерения механических напряжений в арматуре по параметрам продольных колебаний;

- разработка конструкции универсального вибрационного стенда для проведения динамических испытаний железобетонных плит перекрытия и покрытия;

- разработка алгоритмов программных средств для специализированного аппаратно-программного комплекса на базе персонального компьютера типа IBM PC для проведения динамических испытаний и исследования физико-механических свойств железобетонных конструкций.

Методы исследования. В работе использованы фундаментальные методы расчета строительных конструкций, вариационные методы строительной механики, методы физико-механического и геометрического моделирования конструкций, изопериметрический метод расчета пластинок и метод интерполяции по коэффициенту формы.

Достоверность научных положений и полученных результатов подтверждается их сравнением с известными результатами, найденными с помощью фундаментальных аналитических и экспериментальных методов расчета строительных конструкций, а также с результатами проведенных в работе экспериментов.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- разработаны теоретические основы неразрушающего вибрационного метода контроля качества железобетонных конструкций балочного типа и построены математические модели для оценки прочности, жесткости, трещино-стойкости и величины предварительного напряжения арматуры на основе их динамических параметров;

- определены критерии и разработаны способы равноэнергетического вибрационного воздействия на испытуемые конструкции;

- разработаны теоретические основы и методологические приемы реализации более 20 способов вибрационного контроля качества и диагностики физико-механических свойств железобетонных конструкций с использованием поперечных и продольных колебаний в отдельности и совместно, включая способы повышения точности определения динамических параметров, создания различных режимов колебаний (вынужденных, свободных и нестационарных), определения места расположения дефекта;

- разработаны конструктивно простые, надежные в работе, помехоустойчивые и универсальные в эксплуатации средства первичного преобразования перемещений (виброперемещений) на основе нестандартных оптоэлек-тронных пар инфракрасного диапазона с открытым оптическим каналом, в том числе с дополнительным подвижным модулирующим элементом;

- исследованы импульсные режимы работы оптоэлектронных пар с целью возможности варьирования в широких пределах чувствительностью и динамическим диапазоном измерения перемещений и проведена оптимизация этих режимов;

- исследованы свойства модулирующих основ, использующихся в качестве подвижного модулирующего элемента измерительных оптоэлектронных преобразователей, выполненного в виде оптического клина с требуемым законом изменения оптической плотности;

- разработаны алгоритмы программных средств для специализированного аппаратно-программного измерительного комплекса на базе персонального компьютера типа 1ВМ РС для проведения динамических испытаний и исследования физико-механических свойств железобетонных конструкций.

Приоритет и новизна предложенных способов вибрационного контроля качества и диагностики строительных конструкций подтверждается 18 авторскими свидетельствами, патентами на изобретения и свидетельствами об официальной регистрации программ для ЭВМ, выданными ФИПС России.

Практическая ценность работы заключается в том, что полученные в работе результаты теоретических и экспериментальных исследований позволяют подойти к практическому решению проблемы организации и проведения поточного неразрушающего контроля качества железобетонных конструкций с помощью вибрационного метода на новом техническом уровне за счет комплексного решения вопросов его теоретического, методологического, инструментального и программного обеспечения. При выполнении исследований:

- разработано более 20 способов вибрационного контроля качества и диагностики физико-механических свойств железобетонных конструкций и методологические приемы их практической реализации;

- разработаны рекомендации по использованию импульсных режимов работы оптоэлектронных пар и модулирующих элементов измерительных преобразователей перемещений (виброперемещений);

- показана возможность использования в качестве эталонной конструкции изделий серийного изготовления;

- разработаны специализированные модулирующие элементы измерительных оптоэлектронных преобразователей и предложены способы их изготовления;

- разработаны микропроцессорные приборы, предназначенные: для интегральной оценки прочности, жесткости, трещиностойкости и величины предварительного напряжения арматуры железобетонных конструкций балочного типа по параметрам поперечных колебаний; для контроля трещиностойкости железобетонных конструкций и измерения механических напряжений в арматуре по параметрам продольных колебаний;

- предложена конструкция универсального стенда для проведения динамических испытаний железобетонных плит перекрытия и покрытия;

- разработаны две программы для специализированного аппаратно-программного измерительного комплекса на базе персонального компьютера типа IBM PC для проведения динамических испытаний и исследования физико-механических свойств железобетонных конструкций.

На защиту выносятся:

- теоретические основы неразрушающего вибрационного метода контроля качества железобетонных конструкций балочного типа и математические модели для оценки прочности, жесткости, трещиностойкости и величины предварительного напряжения арматуры на основе их динамических параметров;

- динамические критерии для оценки физико-механических свойств железобетонных конструкций;

- критерии и способы равноэнергетического вибрационного воздействия на испытуемые конструкции;

- способы вибрационного контроля качества и физико-механических свойств железобетонных конструкций и диагностики их состояния с использованием поперечных и/или продольных колебаний;

- конструкции средств первичного преобразования перемещений (виброперемещений) на основе нестандартных оптоэлектронных пар инфракрасного диапазона с открытым оптическим каналом, в том числе с дополнительным подвижным модулирующим элементом;

- результаты исследования и оптимизации импульсных режимов работы оптоэлектронных пар измерительных преобразователей;

- результаты исследования свойств модулирующих основ, использующихся в качестве подвижного модулирующего элемента измерительных оптоэлектронных преобразователей;

- конструкции специализированных модулирующих элементов измерительных оптоэлектронных преобразователей и способы их изготовления в виде оптического клина с требуемым законом изменения оптической плотности;

- алгоритмы и специализированные программы для проведения динамических испытаний и исследований физико-механических свойств железобетонных конструкций с использованием аппаратно-программного измерительного комплекса на базе персонального компьютера типа 1ВМ РС;

- средства неразрушающего вибрационного контроля для проведения динамических испытаний железобетонных плит перекрытия и покрытия, включая:

- микропроцессорный прибор для контроля и интегральной оценки прочности, жесткости, трещиностойкости и величины предварительного напряжения арматуры железобетонных конструкций балочного типа;

- микропроцессорный прибор для контроля трещиностойкости железобетонных конструкций и измерения механических напряжений в арматуре;

- конструкцию универсального вибрационного стенда. Публикации. По материалам диссертации опубликовано более 100 научных работ, в том числе получено 18 авторских свидетельств, патентов на изобретения и свидетельств об официальной регистрации программ для ЭВМ.

Апробация работы. Результаты исследований, приведенные в диссертации, многократно докладывались на научно-технических конференциях разного уровня, в том числе на: Ш-й Международной научной конференции «Материалы для строительных конструкций» (Днепропетровск, 1994); П-й и Ш-й Международных научных конференциях «Циклические процессы в природе и технике» (Ставрополь, 1994, 1995); Международной научно-технической конференции «Современные проблемы строительного материаловедения» (Казань, 1996); 1У-й Международной конференции «Циклы природы и общества» (Ставрополь, 1996); 51-й Международной научно-технической конференции молодых ученых с участием студентов, аспирантов и докторантов (Санкт-Петербург, 1997); УП-й Международной научно-технической конференции «Оптические, радиоволновые, тепловые методы и средства контроля природной среды, материалов и промышленных изделий» (Череповец, 1997); 1-й, 2-й и 4-й Международных научных конференциях «Циклы» (Ставрополь, 1999; 2000; 2002); Международной научно-технической конференции «Проблемы строительного и дорожного комплексов» (Брянск: БГИТА, 1998); Международной научно-технической конференции «Механика и новые технологии» (Севастополь, 1995); 4-й и 5-й Международных конференциях «Нелинейные колебания механических систем» (Нижний Новгород, 1996, 1999); Всероссийской научно-технической конференции «Физико-механические свойства материалов и их экспрессная оценка неразрушающими методами и портативными техническими средствами» (Волгоград, 1995); П-й и Ш-й Всероссийских научно-технических конференциях «Вибрационные машины и технологии» (Курск, 1995, 1997); межвузовской научной конференции «Лейбниц - мыслитель, философ, человек (к 350-летию со дня рождения)» (Ставрополь, 1996); 1-й, 3-й, 4-й и 5-й региональных научно-технических конференциях «Вузовская наука -Северо-Кавказскому региону» (Ставрополь, 1997, 1999; 2000, 2001); на вторых Международных академических чтениях РААСН «Новые энергосберегающие архитектурно-конструктивные решения жилых и гражданских зданий» (Орел, 2003) и др.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация изложена на 370 страницах машинописного текста и состоит из введения, девяти глав, основных выводов, списка литературы, включающего 226 наименований и 8 приложений объемом 266 страниц. В работе приведены 15 таблиц, 117 рисунков и 2 схемы алгоритмов в первом томе, 7 таблиц, 26 рисунков и 2 исходных текста программ в приложениях.

Основные выводы

Обобщая результаты исследований, полученные в работе, можно сделать вывод о том, что в диссертации разработаны теоретические положения, совокупность которых можно квалифицировать как новое крупное достижение в развитии научного направления по разработке, совершенствованию и применению неразрушающего вибрационного метода и средств контроля качества и диагностики состояния железобетонных конструкций балочного типа. Основные результаты исследования можно разделить на две группы.

1. К первой группе относятся результаты, связанные с разработкой способов и приемов реализации методов вибрационного контроля качества и физико-механических свойств железобетонных конструкций:

1.1 Разработаны теоретические основы вибрационного метода контроля качества и физико-механических свойств железобетонных конструкций балочного типа с использованием поперечных колебаний. Предложены и обоснованы новые динамические критерии для диагностики железобетонных конструкций (коэффициент нелинейных искажений и коэффициент амплитудной модуляции колебательной системы) и даны рекомендации по их использованию.

1.2 Разработан модифицированный метод проведения вибрационных испытаний конструкций с возбуждением в них поперечных колебаний, в основу которого положено использование аналитических зависимостей, связывающих контролируемые показатели качества железобетонных конструкций (прочность, жесткость, трещиностойкость и величина предварительного напряжения арматуры) с основной (резонансной) частотой колебаний конструкций.

1.3 Сформулирован и обоснован критерий равноэнергетического вибрационного воздействия на контролируемые конструкции и разработаны способы его практического использования.

1.4 Разработаны способы повышения точности определения динамических параметров плоских железобетонных плит (основной (или резонансной) частоты и декремента колебаний) путем осуществления их предварительного пригруза, а также выделения крутильной компоненты колебаний, возникающей в изделиях с дефектом неплоскостности нижней грани.

1.5 Исследована возможность проведения вибрационных испытаний железобетонных конструкций с использованием продольных колебаний звукового диапазона частот и разработаны способы контроля трещиностойкости и величины предварительного напряжения арматуры (как на стадии пооперационного контроля, так и непосредственно в составе готовой конструкции) по параметрам продольных колебаний. Показано, что при использовании продольных колебаний расширяется область применения методов неразрушающего вибрационного контроля, появляется возможность более полного выявления изменений физико-механических свойств контролируемых изделий, существенно упрощается процесс контроля и снижаются затраты на его проведение, повышается точность и помехозащищенность результатов контроля (особенно при использовании приема подвеса конструкций на податливых опорах), улучшаются условия труда операторов.

1.6 Разработаны способы комплексного вибрационного контроля качества и диагностики железобетонных конструкций с использованием поперечных и продольных колебаний при различных режимах их возбуждения.

1.7 Проведен большой объем экспериментальных вибрационных исследований натурных железобетонных конструкций с целью практической отработки предложенных методик и способов испытаний. Результаты экспериментальных исследований подтвердили в целом теоретические выводы, полученные в работе.

2 Ко второй группе относятся результаты, связанные с разработкой приборов и технических средств измерений:

2.1 Разработаны надежные в работе, помехоустойчивые и универсальные в эксплуатации средства первичного преобразования перемещений (виброперемещений) на основе нестандартных оптоэлектронных пар инфракрасного диапазона с открытым оптическим каналом, и проведен тщательный экспериментальный анализ их работоспособности при различных импульсных режимах работы с целью значительного повышения чувствительности и расширения динамического диапазона измерения перемещений.

2.2 Исследованы свойства модулирующих основ, используемых в качестве дополнительного подвижного модулирующего элемента измерительных оптоэлектронных преобразователей и выработаны рекомендации по их применению.

2.3 Разработаны специализированные модулирующие элементы измерительных оптоэлектронных преобразователей, позволяющие существенно повысить точность определения динамических параметров контролируемых конструкций, и предложены способы изготовления этих элементов в виде оптического клина на просвечиваемой или отражающей основе с требуемым законом изменения оптической плотности.

2.4 Разработаны и апробированы в условиях заводского производства опытные образцы микропроцессорных приборов: для неразрушающего вибрационного контроля и интегральной оценки прочности, жесткости, трещино-стойкости и величины предварительного напряжения арматуры железобетонных конструкций балочного типа по параметрам поперечных колебаний; для контроля трещиностойкости железобетонных конструкций и измерения механических напряжений в арматуре по параметрам продольных колебаний.

2.5 Разработана конструкция универсального вибрационного стенда для проведения динамических испытаний железобетонных плит перекрытия и покрытия при возбуждении в них поперечных и продольных колебаний, в том числе с использованием элементов статического нагружения.

2.6 Разработаны программы для специализированного аппаратно-программного измерительного комплекса на базе персонального компьютера типа IBM PC для проведения динамических испытаний и исследования физико-механических свойств железобетонных конструкций при различных режимах возбуждения продольных и поперечных колебаний.

1. Абрамов Д.С., Лерман В.Д. Производственный контроль качества железобетонных изделий. Л.: Стройиздат. Ленингр. отд-ние, 1978. -160 с.

2. Азимов Р.К., Шипулин Ю.Г. Оптоэлектронные преобразователи больших перемещений на основе полых световодов. М.: Энергоатомиздат, 1987. -С. 3-47.

3. Аистов Н.Н. Испытание сооружений. Л.: Стройиздат. Ленингр. отд-ние, 1960.-С. 297-298.

4. Аксененко М.Д., Бараночников М.Л., Смолин О.В. Микроэлектронные фотоприемные устройства. — М.: Энергоатомиздат, 1984. — 209 с.

5. Аксененко М.Д., Бараночников М.Л. Приемники оптического излучения: Справочник. М.: Радио и связь, 1987. — 296 с.

6. Алексеенко А.Г., Коломбет Е.А., Стародуб Г.И. Применение прецизионных аналоговых микросхем. М.: Радио и связь, 1985. - 256 с.

7. Алешин Н.П., Лупачев В.Г. Ультразвуковая дефектоскопия: Справ, пособие. Минск: Высшая школа, 1987. - С. 32-36.

8. Анцев В.Г., Геодаков А.И., Журба Ю.И. и др. Краткий справочник фотолюбителя / Под общ. ред. Н.Д. Панфилова, А.А. Фомина. М.: Искусство, 1985.-С. 239-253.

9. Аронов Р.И. Испытание сооружений. — М.: Высшая школа, 1974. 187 с.

10. А. с. № 1252723 СССР, МПК G 01 N 29/04. Способ акустического контроля качества изделий / С.А. Герасименко, Г.В. Слюсарев, В.А. Дерябин; Опубл. 23.08.86, Бюл. №31.

11. А. с. № 236089 СССР, МПК G 01 L В 28. Способ определения величины натяжения арматуры / Э.А. Сехниашвили, A.M. Горшков, Ю.С. Саркисов и др.; Опубл. 12.02.69, Бюл. № 6.

12. А. с. № 1770800 СССР, Кл. G 01 Н 19/08. Стенд для определения динамических характеристик прямоугольных железобетонных плит с дефектом в виде неплоскостности нижней грани / В.И. Коробко; Опубл. 23.10.92, Бюл. № 39.

13. А. с. № 1516800 СССР, Кл. G 01 Н 17/00. Способ регистрации колебаний и разделения их на компоненты / Г.В. Слюсарев, В.И. Коробко; Опубл.0310.89, Бюл. № 39.

14. А. с. № 1613902 СССР, Кл. в 01 М 7/00. Способ определения собственных частот изгибных колебаний элементов конструкций на стенде / Г.В. Слюсарев, Н.Д. Идрисов, В.И. Коробко; Опубл. 15.12.90, Бюл. № 46.

15. А. с. № 1640595 СССР, Кл. в 01 N 3/32. Способ контроля жесткости на изгиб железобетонных элементов / В.И. Коробко, Г.В. Слюсарев, Н.Д. Идрисов, А.Н. Хусточкин; Опубл. 07.04.91, Бюл. № 14.

16. А. с. № 1714428 СССР, Кл. в 01 N 3/32. Способ контроля несущей способности при изгибе железобетонного элемента / Н.Д. Идрисов, В.И. Коробко, Г.В. Слюсарев; Опубл. 23.02.92, Бюл. № 7.

17. А. с. № 1536213 СССР, Кл. в 01 в N 3/16. Способ определения массы протяженного изделия / В.И. Коробко; Опубл. 15.01.90, Бюл. № 2.

18. А. с. № 1639206 СССР, Кл. в 01 в 01 в N 3/16. Способ определения массы изделия / В.И. Коробко, С.В. Бояркина; Опубл. 30.03.91, Бюл. № 12.

19. Патент РФ № 1647345, Кл. в 01 N 3/08. Способ определения перемещений плоских элементов конструкций / В.И. Коробко, Н.Д. Идрисов; Опубл. 23.02.91, Бюл. № 17.

20. А. с. № 1714428 СССР, Кл. в 01 N 3/32. Способ контроля несущей способности при изгибе железобетонного элемента / В.И. Коробко, Г.В. Слюсарев, Н.Д. Идрисов; Опубл. 23.02.92, Бюл. № 7.

21. А. с. № 1718052 СССР, Кл. в 01 N 19/08. Способ контроля качества прямоугольной железобетонной плиты с шарнирным опиранием по коротким сторонам / В.И. Коробко; Опубл. 23.02.92, Бюл. № 09.

22. А. с. № 1737334 СССР, Кл. в 01 N 33/38. Способ определения величины преднапряжения арматуры / В.И. Коробко; Опубл. 23.02.92, Бюл. № 20.

23. А. с. № 1748009 СССР, Кл. в 01 N 3/32. Способ определения жесткости балочных элементов конструкций (ферм), работающих на поперечный изгиб / В.И. Коробко; Опубл. 23.02.92, Бюл. № 26.

24. А. с. № 1770800 СССР, Кл. в 01 N 19/08. Стенд для вибрационных испытаний элементов строительных конструкций / В.И. Коробко; Опубл.2302.92, Бюл. № 39.

25. А. с. № 1811278 СССР, Кл. в 01 N 3/32. Способ контроля физико-механических характеристик конструкций / В.И. Коробко; Опубл.2302.93, Бюл. №22.26,27.28,29,30,31,32,33,34,35,36