Применение и анализ частотных измерений при мониторинге мостовых переходов

Тип работы:
Реферат
Предмет:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

ПРИМЕНЕНИЕ И АНАЛИЗ ЧАСТОТНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ ПРИ МОНИТОРИНГЕ МОСТОВЫХ ПЕРЕХОДОВ
Борис Резник
Берлинский университет прикладных наук им. Бойта, Германия, Luxemburger Str. 10, 13 353 Berlin, кандидат технических наук, профессор, тел: +49 (0)30 4504 2596, факс: +49 (0)30 4504 2632, email: resnik@beuth-hochschule. de
Основными целями наблюдений за деформациями являются оценка устойчивости эксплуатируемых инженерных сооружений и принятие своевременных профилактических мер, обеспечивающих их нормальную работу. В геодезической литературе в качестве понятия «деформационные измерения» обычно понимается создание и уравнивание специальных геодезических деформационных сетей. Понятие «мониторинг» имеет значительно более широкое значение. Обобщенное значение мониторинга это процесс систематического или непрерывного сбора информации о параметрах сложного объекта или его деятельности для определения тенденций изменения данных параметров. Определение параметров колебаний несущих конструкций и их математический анализ представляет собой комплекс современных методов наблюдений, обеспечивающих контроль физического состояния сооружений, и дополняющих, таким образом, классические геометрические методы. Мировой опыт применения подобных методов контроля доказывает, что повреждения несущих конструкций часто могут быть выявлены на уже начальном этапе, именно благодаря изменению частотного спектра колебаний. Для практической реализации этого метода при участии автора разработана измерительная система на основе компактных электронных измерителей ускорений и соответствующие програмное обеспечение. Представленные результаты выполненных работ и их точность свидетельствуют о применимости методов измерений и их анализа для решения поставленных задач.
Ключевые слова: мониторинг, частотная характеристика, акселерометер.
IMPLEMENTATION AND ANALYSIS OF VIBRATION MEASUREMENTS IN DYNAMIC MONITORING OF BRIDGES
Boris Resnik
Beuth University of Applied Science Berlin, Germany, Luxemburger Str. 10, 13 353 Berlin, Dr., Prof., tel: +49 (0)30 4504 2596, fax: +49 (0)30 4504 2632, email: resnik@beuth-hochschule. de
Traditionally the inspection of bridges is carried out one or two times annually, usually in the autumn and spring period of a year. These inspections usually include the visual investigation of surfaces of structures and allow discovering only damages like rust of elements and cracks and deformations, which can be detected visually. But this type of investigation cannot provide detailed information about the health of the piers and spans of bridges. In this paper is therefore presented a new measurement system and approaches for theoretical analysis of the testing of spans of railway and road bridges. The proposed measurement system is based on low-cost accelerometers that nevertheless perform measurements with high accuracy. Numerous measurements performed in the last years have confirmed that the developed measurement system is well suited for the control and the secure interpretation of dynamic deformations arising due to natural loads such as wind or traffic. It demonstrates the efficiency of the proposed method and proves its accuracy for health monitoring of complex structures.
Key words: monitoring, dynamic characteristics, accelerometer.
1. Введение
Известно, что сооружения с «легкими» несущимими конструкциями, имеющие низкие собственные частоты колебаний и небольшие коэффициенты затухания, в результате воздействий на них внешних условий воздействий, таких как, например ветер, транспорт, могут колебаться с большими амплитудами. Определение параметров колебаний несущих конструкций и их математический анализ представляет собой комплекс современных методов наблюдений, обеспечивающих контроль физического состояния сооружений, и дополняющих, таким образом, классические геометрические методы в рамках мониторинга. Мировой опыт применения подобных методов контроля доказывает, что дефекты или повреждения несущих конструкций часто могут быть выявлены на уже начальном этапе, именно благодаря изменению их частотного спектра колебаний. Эти методы позволяют на самом раннем этапе локализовать такие явления, как скрытые трещины в несущих конструкциях. В результате могут быть предприняты своевременные меры для устранения подобных деформаций или предотвращения их дальнейшего развития.
Деформационные сети, нивелирование створные измерения и т. д.
1/год 1/день
Роботизированный тахеометр, спутниковые антены и т. д.
Вид деформаций (частота)
I /минута 1 Гц
Акселерометеры, координатно-измерительные машины и т. д.
100 Гц
Рис. 1. Выбор методики измерений в зависимости от прохождения деформаций
Решающее значение для анализа поведения несущих конструкций играет разделение реальных деформаций и эффектов, возникающих в результате ошибок приборов и методов их обработки. Практический опыт применения тахеометра и спутниковых приемников в области высокочастотных измерений показывают, что полученные результаты часто искажены сильными систематическими ошибками. Эти ошибки часто имеют периодический характер и поэтому искажают полученные результаты частотных измерений. Поэтому доверительный интервал этих методов должен быть уменьшен до 3−5 Гц. Известно, что чем больше длина пролетных строений, тем меньше становится частота первых резонансных частот. При особенно протяженных пролетах мостов длиной от 30−50 метров, эти частоты попадают в вышеназванный диапазон. Чтобы получить реальную картину деформаций часто требуются
определение более высоких резонансных частот. Такие деформации могут быть определены измерителями ускорений (акселерометрами) различного вида.
Определение амплитудно-частотных характеристик строительных конструкций могут выполняться как с помощью измерительной техники, так и аналитическим способом. В последнем случае для расчетов в последнее время широкое применение находит метод конечных элементов [4]. Эффективность метода связана с возможностью наиболее просто учитывать различные краевые условия, особенности прикладываемых нагрузок, форму рассчитываемых конструкций и т. д. Опыт показывает, что полученные из теоретических вычислений результаты часто отличаются от частотных характеристик, определенных в результате измерений. Таким образом, измерения дают возможность уточнить соответствующие математические модели.
2. Измерительная система JHG
Измерения колебаний строительных конструкций могут выполняться как переносными датчиками, так и установленными на длительное время автономными измерительными системами. Если результаты показывают необычные смещения модальных параметров (собственные частоты и формы колебаний, коэффициенты затухания и т. д.) то объекты должны быть дополнительно обследованы для принятия мер по предотвращению негативных последствий. Процесс измерения колебаний может быть легко автоматизирован, отличается высокой надежностью и поэтому имеет большой потенциал в рамках мониторинга. В мире существует практика применения этого метода на уникальных объектах и, по мнению многих экспертов, он также может использоваться на обычных строительных сооружениях, как дополнение к другим типам измерений. При этом измерения колебаний необходимо выполнять одновременно на многих пунктах. Так как стоимость датчиков для измерения микросейсмических колебаний (сейсмографов), регистрирующих малейшие колебания земной поверхности, достаточно велика и для
поставленных целей экономически не оправдана, в Берлинском
университетеприкладных наук совместно с предприятием JHG, Berlin были в последние годы созданы различные альтернативные измерительные системы для мониторинга частотным методом (рис. 2).
Чувствительными элементами этих систем служат датчики, которые используются в машиностроении, при эксплуатации ветряных электростанций и т. д. Они имеют высокую степень пылеи влагозащищенности (IP 67). Потребление электроэнергии датчиками крайне мало. Из-за несколько худших параметров точности, чем у геофизических приборов, разработаные приборы не могут использоваться для измерения микросейсмических явлений. В тоже время их главным преимуществом
является невысокая стоимость. В 2010 году были разработаны измерительной системы двух типов JHG2 и JHG3. Каждый компактный измерительный блок этих систем содержит собственный чувствительный элемент и позволяет выполнять одновременные измерения по трём пространственным осям. Датчики имеют возможность автоматического включения измерений при достижении заданных амплитуд колебаний. Система JHG2 упровляется непосредстевенно с помощью полевого компьютера, соединённого с помощью обычного USB-кабеля. Поэтому измерительная система этого типа не может использоваться для автономных измерений. Конструктивной особенностью системы JHG3 является встроенная карта памяти большого объема и беспроводная передача информации с помощью Wi-Fi. Устройство имеет встроенный источник питания, емкости которого достаточно для автономного выполнения измерений в течение 24 часов, и возможность подключения к внешней сети. Таким образом эта система позволяет выполнять измерения в автономном режиме практически неограниченное время. Разработанный в 2012 году новый приборный комплекс JHG4 позволяет проводить одновременные измерения и регистрацию данных при использовании до 8 закрепленных на несущих конструкциях компактных чувствительных элементов, которые соединяются с полевым компьютером в цепочку до 800 метров с помощью специальных кабелей. Эта система может успешно использоваться как для синхронных периодических измерений на многих пунктах так и для непрерывного контроля.
3. Реализация периодических частотных измерений
Если частотные измерения проводят периодически, то их результаты сравнивают с «нулевым циклом», по принципу, схожему с классическими геодезическими деформационными наблюдениями. Последующая обработка облегчается, если контрольные пункты размещены на характерных точках вдоль одной строительной оси. Для повторной установки датчиков местоположение контрольных пунктов маркируют.
Полевые измерения с помощью созданной системы не представляются трудоемкими ине требуют особых навыков. Результатом измерений одним датчиком является цифровой ряд данных, сортированный по времени. В течение нескольких секунд собираются данные объемом в десятки тысяч измерений. Поэтому обработка и последующий анализ полученной информации требуют специальных математических и технических знаний. Автором были разработаны собственные алгоритмы и создано специализированное программное обеспечение для переодического контроля. Первичным результатом обработки измерений являются так называемые спектрограммы, совмещающие выделенные частоты и соответствующие амплитуды колебаний на характерных точках мостового перехода, отобранных для измерений. При измерениях используется несколько датчиков, поэтому обработка требует совместной интерпретации многочисленных данных. Так называемые картограммы колебаний представляют одновременное изображение всех спектров по одной из осей конструкции. Из соображения наглядности используется двухмерное изображение по частоте и длине конструкции.
Амплитуды отдельных спектров показываются в виде изменения цвета в соответствии с выбранной шкалой. Визуальный контроль можно осуществлять на полевом компьютере сразу после завершения измерений. Результаты можно сохранить в различных графических форматах для дальнейшего анализа и интерпретации.
Многие проекты, выполненные при участии автора в последние годы, доказали, что и измерительная система, и программное обеспечение позволяют успешно проводить контроль и интерпретацию высокочастотных деформаций. Этот факт был также подтвержден измерениями на уникальных мостовых переходах железнодорожной линии Обская — Бованенково (полуостров Ямал). Так как объем данной статьи не позволяет включить описание всех результатов измерений и их обработку, здесь представлен только один тип пролетного строения длиной 34,2 м. Пролетное строение этого типа выполнено из двух стальных двутавровых балок сплошного сечения. На каждом таком пролете крепилось по 3 датчика для измерения резонансных частот колебаний моста. Места установки были постоянны для пролетов всех мостов для удобства сравнения и проведения последующего анализа. Отобранные результаты анализа измерений для типовых мостовых пролетов длиной 34,2 м по высоте одного пролёта изображены на рис. 3. Дальнейшая информация по данному проекту представлена в статьях [2, 4].
Частота (Гц)
Рис. 3. Типичные результаты обработки периодических измерений
4. Реализация непрерывных частотных измерений
В настоящее время не только специальные приборы (электронные указатели наклонов или смещений), но и классические геодезические приборы (электронные тахеометры, цифровые нивелиры, спутниковые приемники ГНСС и т. д.) могут работать в автоматическом режиме без какого-либо участия наблюдателя. Они обеспечивают непрерывные измерения перемещений (деформаций) строительных конструкций, вызванных воздействием внешних факторов (температуры окружающей среды, ветровой нагрузки, механических
воздействий движущихся транспортных средств и т. п.). Благодаря быстрому развитию измерительной и компьютерной техники в последние годы такие методы измерений приобретают все большее значение.
Процесс измерения колебаний может быть легко автоматизирован, отличается высокой надежностью и поэтому имеет большой потенциал в рамках непрерывного мониторинга. В таких случаях на одном или нескольких отобранных пунктах несущих конструкций должна быть установлена постоянная измерительная система. Она записывает измерения через заданные интервалы времени или при достижении определенных значений, например, критических амплитуд колебаний. Результаты измерений передаются оператору современными средствами коммуникаций с заранее заданным интервалом времени или в критических ситуациях. Если результаты показывают необычные смещения определённых параметров как например резонансных частот, то объекты должны быть дополнительно обследованы для принятия мер по предотвращению негативных последствий.
Автором были в последние годы выполнены многие проекты с непрерывным динамическим контролем несуших конструкций при использовании датчиков собственной конструкции. Так как объем данной статьи не позволяет включить подробное описание подобных результатов, здесь представлено только измерения на одной характерной точке вантового моста через Золотой Рог (Владивосток), расположенной на высотных отметках +175 м на одном из несущих пилонов мостового перехода (рис. 4). Разработанная система включала в себя измерительный комплекс контроля наклона пилонов, средства анализа и учета влияния внешних климатических воздействий на этапе строительства [5]. На протяжение одной недели высокоточные инклинометры были дополнены акселерометрами JHG3 описаными в этой статье ранее. Задачей этого эксперимента была разработка и тестирование методики для дальнейшего использования.
Отобранные результаты (изменение собственной частоты колебаний ~ 0,5 гц в продольном направлении) при типичной загруженности моста (ветровая нагрузка) изображены на рис. 4. В результате строительных работ в течении расматриваемого интервала времени вычисленые частоты претерпели сушественные изменения, которые были проанализированы совместно со специалистами проекта. Отклонения от ожидаемого поведения несущих конструкций были не обнаружены. Полученные результаты доказывают, что применёный метод обработки и непрерывного анализа измерений позволяет повысить надежность контроля деформаций и успешно дополняет другие методы мониторинга.
11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22
Рис. 4. Типичные результаты обработки непрерывных измерений
5. Выводы
В то время как несущие конструкции современных строительных сооружений в соответствии с появлением новых материалов и изменяющимся вкусом становятся все более изящными, нагрузки на них возрастают с каждым годом. Чем легче становятся строительные сооружения, тем сильнее они деформируются в результате различных внешних воздействий, таких как изменение температуры окружающей среды, ветровая или транспортная нагрузки. Теоретические вычисления таких, как правило, периодических, деформаций для существующих сооружений, даже при известных величинах нагрузки, ненадежны, так как параметры строительных материалов в процессе эксплуатации изменяются, как правило, неравномерно. На основе описанных методов измерений и обработки расчетные модели деформаций могут быть успешно проконтролированы, что позволит повысить надежность их прогнозирования. Практическая реализация подобных задач требует интенсивной совместной работы различных специалистов и, в первую очередь, в области геодезии и строительства.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Резник Б. Е. Непрерывные геодезические измерения деформаций строительных конструкций эксплуатируемых сооружений // Геопрофи. — 2008. — № 4. — С. 4−9.
2. Герасимов В. А., Лобазов В. Я., Резник Б. Е. Концепция геодезического мониторинга деформационных процессов в условиях Заполярья // Геопрофи. — 2010. — № 1. — С. 17−21.
3. Герасимов В. А., Лобазов В. Я., Резник Б. Е., Эфендян П. С. Частотные измерения при мониторинге автомобильных мостов // Геопрофи. — 2010. — № 4. — С. 11−15.
4. Герасимов В. А., Лобазов В. Я., Резник Б. Е., Саргсян А. Н. Применение метода конечных элементов при анализе высокочастотных измерений на примере железнодорожных мостов в условиях Заполярья // Геопрофи. — 2011. — № 3. — С. 65−69.
5. Непомнящий В. Г., Ященко А. И., Осадчий Г. В. Непрерывный мониторинг мостового перехода через бухту Золотой Рог // Дороги. — 2012. — № 5. — С. 52−57.
© Б. Резник, 2013

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой