Вибродиагностика балочных пролетных строений железнодорожных мостов

Обзор методов оценки динамических воздействий подвижной нагрузки на балочные пролетные строения мостов

Прежде всего, следует отметить огромный вклад Н.Г. Бондаря [8], Е.Е. Гибшмана [22, 23, 24], С.А. Ильясевича [40, 41], И.И. Казея [42], Я.Г. Пановко [70, 71, 72, 73], С.П. Тимошенко [84, 85], и др., в изучение динамического поведения конструкций мостов. Аналитическое изучение взаимодействия пролетных строений с подвижным составом очень затруднительно, поэтому для элементарной постановки задачи наиболее приемлемым оказывается экспериментально-теоретический метод исследования. В основу этого метода положена расчетная схема (математическая модель «МОСТ-ПОЕЗД»), параметры которой определяются из сопоставления аналитических результатов с опытными данными [8].

Свой научный вклад в изучение динамических воздействий на мосты в разное время внесли отечественные ученые: Ю.В. Архипенко [1], Н.Н. Богданов [3, 4], С.А. Бокарев [5, 6, 7], В.А. Быстров [16, 17], А.И. Васильев [18, 19, 20], И.Ш. Гершуни [21], Т.И. Гогелия [25], Г.К. Евграфов [28], А.Н. Звягинцев [30], В.Б. Зылев [31, 32, 33], И.И. Иванченко [34, 35, 36, 37, 38, 39], В.М. Картопольцев [43, 44, 45], А.В. Картопольцев [46], Ю.Г. Козьмин [55, 56, 57], В.М. Круглов [60], Е.Н. Курбацкий [61, 62, 63, 64], Ю.В. Новак [67], Е.И. Павлов [68, 69], В.Ю. Поляков [76], А.А. Сергеев [78], А.М. Уздин [87, 88], М.Л. Хазанов [89, 90], Д.Н. Цветков [91], А.Н. Яшнов [97, 98], а также зарубежные ученые: A.E. Aktan [101, 102, 103], Bruel and Kjaer [104], Chellini G [105], Dewolf J.T. [107], L. Fryba [108, 109], S.S. Law [110], Liu X [111], V.V. Krylov [112], и др.

При проектировании новых мостов, эксплуатации и реконструкции существующих мостов, для обеспечения необходимой надежности сооружений, большое значение имеет оценка динамических воздействий железнодорожных нагрузок на балочные пролетные строения мостов.

Существуют методы и технические средства, предназначенные для оценки фактического состояния сооружения. На практике применяются различные способы загружения испытываемого сооружения с использованием соответствующих приборов и оборудования, основанных на цифровых технологиях, постоянно совершенствующихся для целей получения наиболее полной и достоверной информации.

Под динамическими испытаниями подразумеваются исследования, которые позволяют установить фактическое напряженно-деформированное состояние (НДС) в существующих несущих конструкциях мостов при динамических воздействиях временной подвижной нагрузки на балочные пролетные строения.

Данные исследования осуществляются с помощью экспериментальных методов с использованием программно-аппаратных комплексов (ПАК), при которых замеры параметров состояния моста производятся во время движения по мосту подвижной нагрузки, а также с помощью теоретических методов, моделирующих воздействие подвижной нагрузки на балочные пролетные строения мостов.

В соответствии с этим методом собственную частоту колебаний определяют по пиковым значениям осредненных приведенных амплитудных спектров Фурье. Эти величины получают путем пересчета измеренных ускорений колебаний, используя для этого дискретное преобразование Фурье.

1) Метод определения собственных форм колебаний.

Реальные собственные формы колебаний конкретного сооружения состоят из колебаний, соответствующих его собственным частотам.

Формы колебаний, помимо собственных частот колебаний, являются основным количественным источником информации, который описывает динамическое поведение сооружения [111].

Результаты измерений колебаний сооружения в целом, полученные от датчиков, расположенных в отдельных точках сооружения, содержат информацию о формах колебаний. Из этих форм колебаний складывается описание динамического поведения всего сооружения.

После определения собственных частот по графическому представлению функции спектральной плотности, замеренные величины ускорений колебаний с помощью операций интегрирования преобразуют в характеристики скоростей и перемещений. Преобразование функций скоростей и перемещений от времени, в зависимости от частоты (графики спектральной плотности) и нормирование спектров скоростей и перемещений, позволяет на каждой собственной частоте и для каждой точки измерения определить амплитуду скорости колебаний и величину перемещений (прогибов), регламентируемых нормативными документами для разрезных балочных пролетных строений.

Методы определения собственных форм для своей реализации нуждаются в создании динамического воздействия и проведения объемных измерений с использованием специальной аппаратуры, что приводит к значительному увеличению затрат на их реализацию.

2) Оценка состояния сооружений по величине параметров демпфирования.

Коэффициенты демпфирования являются третьим фактором, который после собственных частот и соответствующих им формам колебаний используют для описания динамической реакции сооружения. Коэффициенты демпфирования, определяемые как относительные величины к критическому демпфированию, служат важным критерием оценки состояния сооружения [104].

Возрастающие коэффициенты демпфирования несут информацию о снижении несущей способности эксплуатируемого сооружения. Это особенно заметно в железобетонных предварительно напряженных пролетных строениях, которые обнаруживают четко выраженное возрастание коэффициентов демпфирования при изменении состояния поперечного сечения от полностью обжатого до состояния сечения с трещинами от потери усилия предварительного напряжения. Коэффициенты демпфирования определяют по замеренным в натуре величинам ускорений. Методы определения параметров демпфирования не могут обойтись без специальной аппаратуры и создания управляемого динамического воздействия.

3) Метод отбора пиковых значений.

В зависимости от наличия первичного датчика-преобразователя в измерительной системе (акселерометра, велосиметра или сейсмографа) производится выборка пиковых значений ускорений, скоростей и перемещений.

Для построения амплитудного спектра Фурье используются различные модификации быстрого преобразования Фурье, подробно описанные в специальной литературе, например [108]. Амплитудный спектр Фурье показывает, какой частоте соответствует максимальная амплитуда. Основное достоинство данного метода заключается в том, что он не требует применения сложных алгоритмов для его реализации.

Основные методы анализа колебаний сложившиеся к настоящему времени можно условно разделить на четыре группы:

• к первой группе относятся методы, использующие измерение, как входного воздействия (известная осевая нагрузка электровозов, принимаемая по паспортным данным), так и выходного отклика;
• ко второй группе отнесены методы, работающие с измерением только выходного воздействия (отклик конструкции на все виды внешних воздействий на пролетное строение — нагрузка: от движущегося поезда, от воздействия ветра, случайная ударная нагрузка от дефектных колесных пар, малое импульсное воздействие);
• к третьей группе — методы, работающие с управляемым входным воздействием и определением передаточной функции (воздействие сейсмовозбудителя с заданной частотой и амплитудой);

— к четвертой — метод, представляющий собой оценку функции частотной реакции.

Входное воздействие — все виды внешних воздействий на пролетное строение (нагрузка от движущегося поезда, от воздействия ветра, случайная ударная нагрузка от дефектных колесных пар, малое импульсное воздействие, воздействие сейсмовозбудителя с заданной частотой и амплитудой).

Перечисленные выше методы идентификации динамических параметров конструкции по результатам измерения характеристик ее колебаний, обладают свойственными только им достоинствами и недостатками.

Использование каждого из описанных методов определяется как наличием средств измерений, так и используемым при испытаниях методом анализа колебаний.

Расчетные модели взаимодействия систем «МОСТ — ПОЕЗД» и «СОСТАВ — ПУТЬ — МОСТ»

Профессор Бондарь Н.Г. рассматривал колебания элементов системы «МОСТ — ПОЕЗД» (Рисунок 1.1) только в вертикальной плоскости симметрии при движении подвижного состава по мосту с постоянной скоростью.

Подвижной состав взаимодействует с однопролетным мостом любой системы. Пролетные строения могут быть металлическими, железобетонными или сталежелезобетонными в виде балочных систем со сплошной стенкой, со сквозной решеткой или в виде арочных систем. Так как рассматриваются плоские вертикальные колебания системы «МОСТ — ПОЕЗД», то предполагается, что продольные плоскости симметрии пути на мосту и всех экипажей поезда совпадают. Неровности на обеих нитях рельсовой колеи, вызванные устройством строительного подъема или другими причинами, принимаются одинаковыми [8].

Данную систему «МОСТ — ПОЕЗД» можно использовать для расчетов балочных мостов с различными по материалу пролетными строениями при воздействии однородных и неоднородных подвижных нагрузок. Однако система не учитывает неровности железнодорожного пути и поперечные колебания, возникающие в пролетном строении при движении поезда.

Профессор Иванченко И.И. рассматривает колебания элементов системы «СОСТАВ — ПУТЬ — МОСТ» (Рисунок 1.2) учитывающей неоднородность рельсового пути.

Повышение точности расчета при исследовании колебаний рельсового пути и стержневой системы, моделирующей мост, достигается путем привлечения к расчету стержней с распределенными параметрами при аппроксимации смешений линейными функциями и тригонометрическими рядами Фурье.

Данный подход позволит максимально сократить число неизвестных в системе уравнений на каждом шаге ее решения, ограничиваясь лишь узловыми ускорениями в местах стыковки граничных элементов и вертикальными ускорениями подвижных узлов (в точках контакта колес с рельсами) [34].

Основная особенность системы «СОСТАВ — ПУТЬ — МОСТ» в том, что учитываются имеющие практическое значение неровности на рельсах, колесах экипажа и просадки железнодорожного пути под шпалами. Учет производится с использованием аппроксимаций смещений линейными функциями и тригонометрическими рядами Фурье.

Динамические испытания мостов с применением программно- аппаратных комплексов и систем

Краткий обзор компьютерных измерительных систем:
1) В 80-е годы прошлого столетия в Швейцарии разработана система мониторинга состояния мостов (Bridge Monitoring System «BRIMOS»). Данная система, предназначенная для оценки динамических характеристик пролетных строений мостов, обеспечивает реализацию испытаний железнодорожных мостов, сопровождающихся как приостановкой транспортного потока, так и без нарушения естественного движения транспорта.
В Братиславе в научно-исследовательском институте инженерного строительства была разработана аппаратура, с помощью которой удалось автоматизировать получение динамических характеристик во время проведения динамических испытаний мостовых сооружений. Основным критерием при этом был выбран прогиб середины пролетного строения. Полученные данные в напряжениях фиксировались в магнитографе, преобразовывались в дискретные коды и проходили предварительную обработку на специальной аппаратуре. Устройство для регистрации подвижных нагрузок передает принятые сигналы на ПЭВМ через устройство дискретного ввода.
Преобразованием в цифровую форму и записью на магнитную ленту дискретных значений прогибов управляет программа, работающая в системе реального времени RTS-8. Считывание данных с магнитной ленты, расчет прогиба в миллиметрах в соответствии с установленной чувствительностью датчика, выбор требуемой части данных и запись данных в соответствующем формате на диск осуществляется программой, написанной на алгоритмическом языке FОRTRAN-2.
2) В 90-е годы прошлого столетия в лаборатории вибродинамических испытаний открытого акционерного общества «Научно-исследовательский институт транспортного строительства», разработана информационно- измерительная система, предназначенная для статических и динамических измерений относительных деформаций, напряжений материала, ускорений, скоростей и перемещений. Она состоит из ПЭВМ, пассивной кабельной системы, измерительных датчиков, преобразователей, приспособлений к ним и вспомогательного оборудования. [79].
Недостатком данной системы является ограниченное общее число датчиков и возможность проведения только вибродинамических испытаний. Информацию получают на основании анализа амплитудно-частотных характеристик моста [120], что, во-первых, не позволяет выявить некоторые скрытые дефекты; во-вторых, несовершенство используемых датчиков иногда приводит к появлению ложных выводов о дефектах в конструкции моста [69, 114, 115].
3) В конце 90-х прошлого столетия в закрытом акционерном обществе «Научно-проектный институт «Исследование мостов и других инженерных сооружений» создана компьютерная измерительная система «КИС- ИМИДИС», для испытаний мостовых и инженерных сооружений. Данная система предназначена для измерения различных типов деформаций испытываемых конструкций, путем регистрации и преобразования в инженерные единицы в реальном масштабе времени, сигналов соответствующих датчиков.
Полученная информация представляется в виде графиков и таблиц и сохраняется на жестком диске персонального компьютера.
Хазановым М.Л. была написана программа «Спектр» для обработки результатов измерений и разработаны основы системы: новые принципы построения датчиков и расширена их номенклатура. Проводная связь компьютера с датчиками дополнилась радиосвязью. Отличительная особенность данной схемы, является отсутствие аналоговых сигналов, следовательно, и отсутствие таких наиболее капризных элементов, как операционных усилителей и аналого-цифровых преобразователей.
При помощи «КИС-ИМИДИС» были проведены испытания и научное сопровождение строительства десятков мостов [20, 89, 90], причалов и других инженерных сооружений (перекрытий больших залов, лестничных маршей и др.).
4) В середине 2000-х в Сибирском государственном университете путей сообщения под руководством д.т.н., проф. С.А. Бокарева, группой специалистов, для оперативной оценки динамических параметров собственных колебаний конструкций моста, разработана измерительная система (ИС) «Тензор МС» [6].
Одной из задач исследования динамического поведения балочных пролетных строений, установленной в п. 6.15 [123], является определение основных динамических характеристик сооружения — частот и форм собственных колебаний, характеристик затухания колебаний.
В соответствии с п. 6.17 [123], для возбуждения колебаний предлагается использовать нагрузки, способные вызвать появление устойчивых колебаний (подвижные, ударные, вибрационные, ветровые, сейсмические). Места измерения реакции, а также места приложения нагрузок строго не регламентированы, их рекомендуется выбирать с учетом предполагаемых форм колебаний.

Краткий обзор применяемых в мировой практике методик:

1) Методика, основанная на методе оценки случайных воздействий (Ambient Vibration Monitoring), который можно определить как метод идентификации модели мостовых конструкций по динамическому отклику на случайное воздействие, в качестве которого можно рассматривать ветер, микросейсмическую активность или движущийся по мосту транспорт.
Создается теоретическая модель сооружения, подлежащего испытаниям, по ней определяют основные частоты колебаний и собственные формы колебаний. Получаемые в натурных измерениях спектры характеристик сравнивают с теоретическими значениями (расчетными). Измеряются колебания, вызванные ветром, движущимся транспортом, приливной волной или микросейсмической активностью.
В результате анализа исследователи получают возможность сравнить зарегистрированные характеристики работы сооружения с необходимыми по условиям прочности. Многочисленные исследования по оценке технического состояния и диагностике эксплуатируемых сооружений по динамическим параметрам проводятся в странах Европы, Азии, Японии, США. Исследования по идентификации динамических параметров, эксплуатируемых транспортных сооружений, изложены в материалах симпозиума АИПК 1995 г. в Сан-Франциско [100, 101, 102, 106, 107]. Оценка колебаний системы под воздействием внешних нагрузок стала возможным и доступным инструментом инженеров-практиков.
В Японии и на Дальнем Востоке применение сложных систем мониторинга является достаточно распространенным, для чего разработаны специальные системы датчиков. Работа по развитию методик идентификации проводятся по всему миру [106, 104, 111].
2) В 90-х годах прошлого столетия на кафедре «Мосты и сооружения на дорогах» Томского государственного архитектурно-строительного университета на основании метода обобщенных координат и уравнения
Лагранжа второго рода применительно к движению автомобильной нагрузки по разрезному пролетному строению моста, разработана математическая модель для определения прогибов, динамических коэффициентов и частот собственных и вынужденных колебаний при заданных скоростях и интервалах движения между транспортными средствами с уточненными начальными параметрами, характеризующими работу балок пролетных строений и нагрузки [45, 46].
3) В лаборатории «Мосты» СГУПС, под руководством С.А Бокарева, разработаны:

• методика оценки грузоподъемности сталежелезобетонных пролетных строений железнодорожных мостов [7].
  В данной методике использован метод классификации, основным дополнением которого является оценка степени включения железобетонной плиты в совместную работу с главными балками по величине напряжений в верхнем поясе металлической балки, определяемых по результатам статических и динамических испытаний.
• методика определения динамических параметров пролетных строений автодорожных мостов по результатам испытаний [30].
  4) В лаборатории ВДИ ИЦ ЦНИИС-ТЕСТ под руководством к.т.н. А.Н. Звягинцева, группой специалистов разработаны: методика вибродиагностики мостовых сооружений, применяемая для динамических испытаний построенных и реконструируемых мостов [67, 68, 114, 115]; методика вибродиагностики мостовых конструкций автодорожных мостов, в основе которой заложен принцип активной вибродиагностики [79, 87]. Оценка технического состояния осуществляется сравнением результатов расчетного и экспериментального анализа динамической реакции сооружения на гармоническое динамическое воздействие в низкочастотном диапазоне собственных форм колебаний. Данная методика основана на сочетании расчетного и экспериментального анализа отклика (реакции) сооружения на гармоническое динамическое воздействие в низкочастотном диапазоне собственных форм колебаний и применении метода активной вибродиагностики.
  5) Динамическая диагностика осуществляется в три этапа, первые два из которых осуществляются в полевых условиях, а третий на стадии камеральной обработки результатов [78].
  I. Возбуждение колебаний и регистрация сигналов отклика конструкций.
  II. Получение в реальном времени результатов инструментальных измерений, необходимых для получения анализа колебаний. Этими результатами являются амплитудно-фазовые частотные характеристики динамических прогибов для информационно значимых точек конструкции.
  III. Передаточные функции отклика конструкций на гармоническое нагружение, которые определяются следующим образом:
• измеряются и регистрируются входной сигнал (воздействие от сейсмовозбудителя с заданной частотой и амплитудой), создаваемый сейсмовибратором и сигнал-отклик (амплитудно-временная зависимость);
• проводится анализ сигналов с использованием преобразования Фурье;
• определяется отношение преобразованных сигналов отклика конструкции к входному сигналу силового воздействия сейсмовибратора.
  Вторичная обработка инструментальных замеров, включающая анимацию форм колебаний, определение собственных частот и коэффициентов демпфирования, статистический анализ. На этом же этапе проводится обследование, целью которого является выявление причин появления аномалий в отклике сооружения на динамическое воздействие.

Выводы по первой главе

При вводе в эксплуатацию новых сооружений, так при оценке состояния эксплуатируемых сооружений необходимо оценивать реальное состояние конструкций.

Поэтому существует необходимость совершенствования методик диагностики балочных пролетных строений железнодорожных мостов, в полной мере учитывающих динамические воздействия, и средств реализации данных методик, способных работать в режиме мониторинга и позволяющих получить достаточный объем экспериментальной информации для выявления параметров оценки при малом импульсном воздействии и воздействии реально обращаемой поездной нагрузки.

Таким образом, разработка методик вибродиагностики балочных пролетных строений железнодорожных мостов в настоящее время является актуальной задачей.

Список литературы

1. Архипенко Ю.В. Методика расчета динамического воздействия подвижных нагрузок с мостами с применением программных комплексов конечно-элементного анализа. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. М.: ОАО ЦНИИС, 2006 — С. 176.
2. Барченков А.Г. Колебания плоских рам и балок под действием подвижных периодических сил / Барченков А.Г., Мальцев Р.И. // Сб. науч. тр. ВИСИ. — 1964. — № 10. — Вып. 1. — С. 60-89.
3. Богданов Н.Н. и др. Проектирование металлических мостов. М.: Транспорт 1982. — С. 320.
4. Богданов Н.Н. и др. Проектирование деревянных и железобетонных мостов. М.: Транспорт 1978. — С. 360.
5. Бокарев С.А. Содержание искусственных сооружений с использованием информационных технологий / С.А.Бокарев, С.С.Прибытков, А.Н. Яшнов. — М.: ГОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2008. — С. 195.
6. Бокарев С.А. Малогабаритные автоматизированные системы для диагностики ИССО / Бокарев С.А., Яшнов А.Н., Снежков И.И., Слюсарь А.В. // Путь и путевое хозяйство. № 9. 2007. — С. 25-26.
7. Бокарев С.А. Методика оценки грузоподъемности сталежелезобетонных железнодорожных пролетных строений / Бокарев С.А., Соловьев Л.Ю., Рогова Е.В. // Известия вузов. Строительство. № 3 — 4 (603-604) 2009. — С. 106-114.
8. Бондарь Н.Г. и др. Взаимодействие железнодорожных мостов с подвижным составом // под ред. Н.Г. Бондаря. М.: Транспорт, 1984 — С. 272.
9. Бондарь И.С. Измерение деформаций балочных пролетных строений мостов — «Мир транспорта». — М: МИИТ, 2016. — № 6(67). — С. 36-51.
10. Бондарь И.С. Динамическая работа пути под тяжеловесными локомотивами / Бондарь И.С., Буромбаев С.А., Квашнин М.Я. // Научно- популярный, производственно-технический журнал «Путь и путевое хозяйство» — Москва, 2016. — №1 — С. 29-32.
11. Бондарь И.С. Расчетные и экспериментальные данные собственных форм колебаний железнодорожных путепроводов / Бондарь И.С, Буромбаев С.А., Алдекеева Д.Т. // Научно-популярный, производственно-технический журнал «Путь и путевое хозяйство» — Москва, 2019. №7 — в печати.
12. Бондарь И.С. Расчет напряженно-деформированного состояния железнодорожных путепроводов / Бондарь И.С, Буромбаев С.А., Алдекеева Д.Т. — «Мир транспорта». — М: МИИТ, 2019. №1 С. 58-69. — в печати.
13. Бондарь И.С. Влияние подвижной нагрузки на деформации пролетного строения железнодорожного моста / Бондарь И.С., Курбацкий Е.Н. // Сборник трудов института пути, строительства и сооружений «Инженерные сооружения на транспорте» — Москва, 2016. РОАД Вып. 7. — С. 64-67.
14. Бондарь И.С. Инструментальная диагностика металлических железнодорожных мостов / Бондарь И.С., Квашнин М.Я., Алдекеева Д.Т., Зайцев А.А. // XV Международная научно-техническая конференция. Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации железнодорожного пути. Чтения, посвященные памяти профессора Г.М. Шахунянца. г. Москва, 2018. — С. 259-265.
15. Бондарь И.С. Напряженно-деформированное состояние железнодорожного путепровода под эксплуатационными нагрузками / Бондарь И.С. Алдекеева Д.Т., Нурахова А.К. // Сборник научных трудов VII Международной научно-практической конференции «Автомобильные дороги и транспортная техника: проблемы и перспективы развития» КазАДИ им. Л.Б. Ганчарова. — Алматы, 2019. — С. 19-24.
16. Быстров В.А. Совершенствование конструкций и расчета элементов сталежелезобетонных мостов. — Л.: Изд-во ЛГУ, 1987. — 186 с.
17. Быстров В.А. Методика количественной оценки остаточного ресурса от воздействия обращающихся нагрузок // Сб. докл. МНПК. СПб.: Изд-во СПбГАСУ, 2005. — ч. II. — С.21-28.
18. Васильев А. И. Основы надежности транспортных сооружений. Учебное пособие — М., МАДИ. — 46 с.
19. Васильев А.И. Вероятностная оценка остаточного ресурса физического срока службы железобетонных мостов. Сборник трудов ОАО ЦНИИС, вып. №208, М.: 2002.
20. Васильев А. И., Хазанов М. Л, Мониторинг физического и напряженно- деформированного состояния строящихся и эксплуатируемых мостов //Сборник ГП Росдорнии «Дороги и мосты», — М, 2004.
21. Гершуни И.Ш. Система мониторинга состояния конструкций моста на остров Русский во Владивостоке. / О.В. Крутиков, И.Ш. Гершуни, М.И. Шамров. // Дороги. Инновации в строительстве. 2011. №11. — С.62-64.
22. Гибшман Е.Е. Применение железобетона для усиления пролетных строений металлических мостов. М: Минкомхозиздат — 1954. — С. 32.
23. Гибшман Е.Е. Проектирование металлических мостов. М: Транспорт — 1969. — С.416.
24. Гибшман Е.Е. «Методы динамических испытаний мостов // Вопросы испытаний и освидетельствования мостов», М.: 1941 — С. 195.
25. Гогелия Т.И. Динамический расчет конструкций на подвижные нагрузки с применением метода конечных элементов // Сообщение АН ГрССР, 115.¬1984. — № 1. — С. 121-124.
26. Донец Н.А. Идентификация повреждений в сталежелезобетонных балочных пролетных строениях на основе анализа ответа проходящих по ним экипажей. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук — Новосибирск — 2013. — 190 с.