Анализ напряженно-деформированного состояния мостовых конструкций с использованием компьютерной измерительной системы

Актуальность исследований. Для повышения надежности возводимых инженерных сооружений, эффективности применяемых материалов, конструктивных и технологических решений проводится большой объем экспериментальных исследований. Основной задачей таких исследований является получение реальной картины напряженно-деформированного состояния (НДС), как отдельных конструкций, так и сооружения в целом при различных внешних воздействиях [53].

В связи со значительным темпом роста автомобильного движения в последнее время увеличивается объем строительства автомобильных дорог, в том числе идут интенсивные работы по восстановлению и реконструкции старых мостов для приведения их грузоподъемности и пропускной способности в соответствие современным требованиям. Сложные условия строительства мостов в больших городах (мало места для строительной площадки, невозможность устройства временных опор без перекрытия и так сильно затрудненного движения автомобилей) вынуждают использовать в мостостроении оригинальные конструкции и новейшие технологии, которые требуют большого объема контрольных измерений и дополнительного анализа НДС.

Таким образом, эффективное определение НДС мостовых конструкций, как в процессе строительства, так и при различных типах испытаний и в процессе эксплуатации становится весьма актуальным.

Цель работы заключается в совершенствовании методов анализа НДС мостовых конструкций от внешних статических и динамических воздействий по результатам натурных исследований за счет использования современных приборов, измерительных систем, методик проведения испытаний и анализа полученных данных.

Для оценки НДС мостовых конструкций в процессе испытаний необходимо измерять напряжения от испытательной нагрузки в характерных сечениях наиболее нагруженных элементов, прогибы пролетных строений, периоды их свободных колебаний, динамические коэффициенты. В некоторых случаях необходимо также определять декременты колебаний, а в вантовых и висячих мостах еще и усилия в канатах. Могут также возникать потребности определения напряжений в опорах и величины отклонения верха опор при резком торможении движущейся испытательной нагрузки или от изменения температуры окружающей среды. При испытаниях эксплуатируемых мостов иногда возникает потребность определения зависимости раскрытия трещин или смещения одних блоков пролетного строения относительно других от величины и положения испытательной нагрузки.

Для упомянутых измерений применяют специальные приборы: тензометры, прогибомеры, инклинометры, различные геодезические приборы и т. п.

Для оценки НДС мостовых сооружений даже в наше компьютерное время продолжают широко использоваться разнообразные механические приборы.

К достоинствам этих приборов относятся простота конструкции и способа установки, надежность, ненадобность источников электропитания, необходимых для работы электронных приборов. Последнее преимущество становится все менее актуальным, т.к. практически на всех мостах имеется осветительная электросеть. Кроме того, имеется большой набор различных бесперебойных источников питания и малогабаритных генераторов, работающих в автономном режиме.

Главными недостатками механических приборов являются: невозможность вести запись в реальном масштабе времени* и необходимость иметь во время испытаний возле каждого прибора или компактно расположенной группы приборов наблюдателя, который должен записывать их показания. При этом достаточно велика вероятность субъективных ошибок (неправильное чтение показаний приборов, ошибки при записи и т. д.). Если приборы установлены в труднодоступных местах, то съем показаний отнимает значительное время, что приводит к увеличению времени испытаний, а значит к их удорожанию. Кроме Некоторые механические приборы снабжены самописцами (например, прогибомер Гейгера), но годятся для записи только медленных процессов. Кроме того, запись диаграмм на бумаге затрудняет их дальнейшую математическую обработку. того, такой способ ведения записи данных затрудняет проведение их экспресс-анализа непосредственно в процессе испытаний.

Таким образом, все более актуальным становится использование компьютерных измерительных систем (КИС) для сбора и обработки данных в процессе испытаний. Если же требуется осуществить мониторинг, т. е. длительное наблюдение за состоянием исследуемого сооружения, то КИС оказывается единственно приемлемой, т.к. она позволяет не только полностью отказаться от многочисленных наблюдателей, но и может снабжаться системой принятия решения для автоматического предотвращения критических ситуаций.

Таким образом, на современном этапе исследование НДС мостовых конструкций наиболее эффективно с использованием КИС. Это позволяет более глубоко анализировать экспериментальные данные и находить оптимальные решения по повышению надежности мостов.

Для достижения поставленной в диссертации цели необходимо решить ряд задач:

1. Сформулировать требования к измерительной системе, позволяющей определять напряженно-деформированное состояние мостовых конструкций в условиях строительства, испытаний и в процессе мониторинга с максимальной эффективностью.

2. Разработать методику проведения исследований НДС мостовых конструкций с помощью выбранной измерительной системы.

3. Разработать методику обработки полученных данных измерений, позволяющую дать однозначную оценку состояния исследуемых конструкций.

4. На основе этих методик выполнить анализ особенностей НДС для современных конструктивно-технологических решений и дать рекомендации по учету этих особенностей как при проектировании, так и в процессе строительства.

Научная новизна работы состоит в следующем:

— разработана компьютерная измерительная система «КИС-ИМИДИС», в рамках которой был создан ряд электронных датчиков, две системы передачи данных (проводная и радио) и пакет программ для управления системой и обработки полученных результатов;

— разработаны методики анализа результатов статических и динамических испытаний мостовых сооружений с помощью созданной автором специальной многофункциональной программы «Спектр»;

— разработан математический аппарат оценки опасности резонансных явлений при воздействии нагрузок от автомобилей и пешеходов;

— выявлен ряд важных аспектов в поведении мостовых конструкций в процессе строительства и эксплуатации, которые необходимо учитывать на стадии проектирования и строительства.

Степень обоснованности и достоверности полученных результатов в работе подтверждена фактическими данными обследования, испытания и научного сопровождения строительства многих мостов, причалов и других инженерных сооружений, проведенных ЗАО «Институт ИМИДИС», ОАО ЦНИИС и МАДИ (ГТУ).

Метрологическая чистота «КИС-ИМИДИС» подтверждена сертификатом Госстандарта № РОСС 1Ш. АЯ46.АО 1651. Корректность разработанного программного обеспечения проверена на ряде контрольных примеров.

Практическая ценность работы. В процессе эксплуатации «КИС-ИМИДИС» был создан ряд сервисных программ, позволяющих оперативно вычислять необходимые параметры испытываемых конструкций и вести испытания или контроль в диалоговом режиме.

На основе полученных теоретических и экспериментальных данных о работе мостовых конструкций при строительстве и эксплуатации сформулирован ряд рекомендаций для организаций, занимающихся проектированием, эксплуатацией и испытаниями мостовых сооружений.

Проведенные исследования показали, что при монтаже, испытаниях и мониторинге мостовых сооружений наиболее прогрессивным инструментом являются компьютерные измерительные системы, работающие и реальном масштабе времени. Использование разработанной автором «КИС-ИМИДИС» значительно повысило информативность получаемых измерений и облегчило научное обоснование результатов.

Предложенная математическая модель поведения опор моста в процессе монтажа пролетного строения методом тыловой сборки и продольной надвиж-ки с использованием аванбека позволяет правильно организовать технологию надвижки, мониторинг НДС в её процессе и предотвратить опасные нештатные ситуации.

Методика анализа резонансных явлений позволяет определять, в каких случаях период свободных колебаний пролетного строения, определенный в СНиП 2.05.03−84* «Мосты и трубы» [37] как запрещенный, не представляет опасности, а в каком случае опасность существует, хотя все нормы соблюдены.

Внедрение в практику испытаний и мониторинга НДС мостов и других инженерных сооружений компьютерных измерительных систем значительно снижает стоимость этих работ за счет сокращения количества персонала и используемой техники при испытаниях и снижения риска возникновения нештатных ситуаций при мониторинге.

Апробация и внедрение. Основные концепции и результаты исследований доложены и обсуждены на многих научно-технических конференциях, наиболее крупные из которых, это межрегиональная конференция «Эксплуатация искусственных сооружений, программные средства по экспертизе и анализу конструкций» в Санкт-Петербурге (2004 г.) и 63-я международная конференция МАДИ-ГТУ (2005 г.). Результаты работы используются в повседневной практике испытания мостов в ЗАО «Институт ИМИДИС», в ОАО ЦНИИС и МАДИ (ГТУ).

Публикации. Результаты исследований по теме диссертации опубликованы в пятнадцати научных статьях, в том числе в шести патентах на изобретения и полезные модели.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, че.

Выводы.

Мониторинг напряженно-деформированного состояния мостов в процессе строительства позволяет проектировщикам с большей уверенностью использовать новые технологии строительства, предотвращать нештатные ситуации, эффективно управлять процессом монтажа пролетного строения и не допускать сокрытия ошибочных действий строителей, которые могут привести к повреждению конструкций. Благодаря этому мониторинг в процессе строительства больших мостов стал почти обязательной его составляющей. Его эффективность подтверждалось при монтаже пролетных строений больших мостов через Волгу в Кинешме и Ярославле, через Каму в Перми, через Днепр в Киеве, путепроводов в Москве и Санкт-Петербурге. На всех этих объектах с успехом использовалась компьютерная измерительная система «КИС-ИМИДИС».

Для успешного проведения мониторинга состояния мостов в процессе их эксплуатации необходимо иметь высокую надежность измерительных средств длительного действия. Измерения должны быть нацелены на решение основных задач и не выдавать избыточной, фоновой информации.

Непрерывные наблюдения за НДС мостов в ходе суточного изменения температуры позволяют эффективно оценить работу его опорных частей.

Заключение

.

1. Анализ опыта использования наиболее распространенных приборов (как механических, так и электронных) для измерения напряженно-деформированного состояния мостовых сооружений в процессе их строительства, испытаний и эксплуатации показал, что при современном уровне проектирования и строительства с использованием новейших проектных решений и технологий, только электронные приборы в составе компьютерных измерительных систем позволяют получить наиболее полную картину НДС и дать подробный анализ полученных результатов измерений.

2. Разработанная компьютерная измерительная система «„КИС-ИМИДИС“», включающая ряд новых электронных приборов, конструкция и способы функционирования которых защищены патентами на изобретение и полезные модели, возможность передачи данных как по проводам, так и по радио, а также соответствующее программное обеспечение, позволяет наиболее полно решать задачи исследования НДС мостовых конструкций в процессе строительства, испытаний и эксплуатации.

3. Разработанная компьютерная программа «Спектр» позволяет проводить углубленный научный анализ не только результатов измерений, полученных при помощи «КИС-ИМИДИС», но и данных, полученных из других источников в табличной или текстовой форме. В частности эта программа используется в ОАО ЦНИИС при анализе данных измерительной системы СТКМ.

4. Выявлена особенность поведения опор при монтаже пролетного строения методом тыловой сборки и продольной надвижки. Показано, что величину отклонения опор за счет сил трения можно эффективно оценивать по углу отклонения верха опоры, а на слабых грунтах — с учетом угла отклонения у ростверка. Экспериментально выявлено и теоретически обосновано отклонение лидирующей опоры в сторону стапеля, когда нависающая консоль пролетного строения имеет значительный провис.

5. Разработана методика учета влияния температуры на показания тен-зометрических датчиков при мониторинге эксплуатируемых мостов. Разработана компьютерная программа обработки данных большого числа тензометри-ческих датчиков, используемых при мониторинге моста Александра Невского в Санкт-Петербурге, позволяющая в реальном масштабе времени отделять от показаний датчиков температурную составляющую и сравнивать полученные результаты измерений с расчетными предпосылками для обеспечения безопасной эксплуатации моста.

6. Дана методика анализа результатов суточных измерений НДС моста, вызванных изменением температуры. Эта методика позволила, например, в Ки-нешме подтвердить нормальную работу антифрикционных карточек, а в Саратове — выявить опасность возникновения трещин в опорах из-за неточной установки опорных частей пролетного строения и особенности их конструкции.

7. Разработана методика измерения натяжения канатов вантовых и висячих мостов, обеспечивающая достижение заданной точности.

8. Дана сравнительная оценка различных способов проведения динамических испытаний мостов. Разработана методика определения скоростей движения нагрузки, при которых будут наблюдаться максимальные и минимальные динамические коэффициенты.

9. Даны рекомендации по анализу результатов динамических испытаний мостов с помощью программы «Спектр», которые позволяют определять не только динамические коэффициенты и периоды собственных колебаний, но и выявлять скрытые дефекты в конструкции.

10. Дана оценка опасности возникновения резонансных явлений как от колебаний подрессоренной массы движущихся по мосту автомобилей, так и от марширующих по нему колонн людей.

11. Внедрение в практику испытаний и мониторинга НДС мостов и других инженерных сооружений компьютерных измерительных систем позволяет получить значительную экономическую эффективность за счет сокращения количества персонала и используемой техники при испытаниях и снижения риска возникновения нештатных ситуаций при мониторинге.