Методики вибродиагностики балочных пролетных строений железнодорожных мостов

Методики вибродиагностики балочных пролетных строений
железнодорожных мостов

Методики предназначены для периодической инструментальной диагностики и оценки технического состояния балочных пролетных строений железнодорожных мостов [26, 27, 28, 79, 95]. Методики могут использоваться при испытаниях эксплуатируемых, реконструируемых и новых мостов.

Методики служат для оценки технического состояния балочных металлических и железобетонных пролетных строений железнодорожных мостов при проведении всех видов осмотров, испытаний, а также могут применяться при приемочных испытаниях новых (недавно построенных) и реконструируемых мостов.

Основные положения предлагаемых методик соответствуют требованиям нормативных документов [116, 117, 118, 119, 120, 122, 123].

Диагностика технического состояния балочных железобетонных и металлических мостов (Рисунок 5.1) по собственным частотам (периодам) колебаний пролетных строений, позволяет определять изменения в работе сооружения в целом, то есть указывает на наличие дефектов, связанных с нарушением целостности железобетонных пролетных строений, или на сколы, выколы, отсутствие заклепок, ослабление высокопрочных болтов, нарушение продольных и диагональных связей в металлических пролетных строениях.

Основным оценочным критерием является частота либо период собственных колебаний по низшей форме металлического или железобетонного балочного пролетного строения. Измеряемой величиной является перемещение (прогиб) балочных пролетных строений.

Количественным признаком наличия дефектов в железобетонной или металлической балке пролетного строения является падение частоты (возрастание периода) собственных колебаний низшей формы по сравнению со значениями для бездефектной конструкции железнодорожного моста.

Для выполнения измерений рекомендуется применять ТПАК и ВПАК, в которых для записи колебаний в качестве первичных преобразователей используются высокочувствительные тензодатчики и сейсмоприемники.

Алгоритм проведения вибродиагностики балочных пролетных строений железнодорожных мостов

Вибродиагностика балочных железобетонных или металлических пролетных строений железнодорожных мостов производится на основании анализа отклика (ответа) конструкции на малое импульсное воздействие (прыжок человека) и воздействие от проходящей подвижной нагрузки.

Схемы проведения испытаний с фрагментами осциллограмм и графиков спектральной плотности, приведены на рисунке 5.2.

Алгоритм проведения вибродиагностики балочных пролетных строений железнодорожных мостов включает:

1. предварительный расчет конструкций железнодорожного моста аналитическим методом и МКЭ для определения мест наклейки и установки элементов ТПАК и ВПАК;
2. наклейку тензорезисторов и закрепление оснастки ТПАК на балочные железобетонные или металлические пролетные строения железнодорожного моста;
3. защиту тензорезисторов от внешних воздействий окружающей среды (резкого перепада температуры, повышенной влажности, порывов ветра и т. д.) для длительного использования — мониторинга продолжительностью до 10 лет;
4. установку сейсмометров посередине балочного железобетонного или металлического пролетного строения и закрепление оснастки ВПАК на железнодорожном мосту;
5. установку антивандальной защиты сейсмометров от внешних воздействий окружающей среды (продолжительных осадков) и человеческого фактора, для длительного использования — мониторинга;
6. проведение измерений при прохождении подвижного состава или при импульсных воздействиях малой массы (прыжках одного человека);
7. сбор данных и сохранение виброграмм (осциллограмм) на жестком диске компьютера для обработки сигналов, специально разработанной программой;
8. обработку полученных экспериментальных результатов измерений;
9. определение первой собственной частоты либо периода колебаний конструкции и относительных деформаций;
10. сравнение величин измеренных и расчетных частот собственных колебаний и напряжений балочных пролетных строений с учетом дополнительных факторов (толщины балластного слоя либо количества мостовых брусьев);
11. заключение о техническом состоянии балочного пролетного строения железнодорожного моста;
12. демонтаж сейсмометров и элементов оснастки ВПАК и ТПАК.

Порядок монтажа датчиков и использование программно- аппаратных комплексов ВПАК и ТПАК

Наклеить тензорезисторы PFL-10-11 для металла, FLM-60-11 для железобетона, в середине пролета по всему сечению металлических или железобетонных балок, для получения эпюры напряжений. Соединить по полу-мостовой схеме, подключить к измерительной электронике с промышленной шиной «Модуль РМЕ-55», подключиться к переменному току 220 В (см. раздел 3).

Для возбуждения процесса колебаний конструкции следует прикладывать импульсное воздействие эквивалентное падению сосредоточенного груза массой около 100 кг с высоты 30 — 50 см. Импульсное воздействие производится в середине по оси пролетного строения внутри рельсовой колеи.

Также можно, производить запись виброграмм ускорений под проходящим подвижным составом. В этом случае обработка сигнала вибродатчика осуществляется по участку свободных колебаний конструкции, после схода поезда с моста. Участок свободных колебаний определяется визуально по графику сигнала.

На каждом пролетном строении должно быть записано не менее трех- пяти виброграмм. Продолжительность записи от одного импульсного воздействия должна составлять не менее 10 секунд, а от проходящего состава не менее 30 секунд после его схода с моста.

От продолжительности записи в значительной степени зависит точность определения величины первой собственной частоты, поэтому требования по длине записи должны обязательно выполняться.

Вибродиагностика технического состояния балочных железобетонных и металлических пролетных строений

Для определения относительных деформаций и напряжений проводится обработка записей с использованием прикладных программ «ТЕНЗО», а для определения первой собственной частоты колебаний
проводится обработка записанных виброграмм с использованием программного обеспечения «ДИНАМИК», созданных при непосредственном участии автора данной работы [86, 96].
Перед определением относительных деформаций и напряжений необходимо произвести обязательное тарирование тензорезисторов и калибровку комплекса ТПАК.
Техническое состояние балочных железобетонных и металлических пролетных строений железнодорожных мостов оценивается по полученным экспериментально данным, с помощью программно-аппаратных комплексов (ПАК): ТПАК для измерения относительных деформаций и напряжений и ВПАК для определения динамических характеристик в балочных пролетных строениях [24, 129, 130].
В качестве эталонной нагрузки использовался электровоз ВЛ-80с с осевой нагрузкой 232,75 кН, так как основным средством тяговой силы на магистральных линиях АО «НК «КТЖ» является данный тип локомотива.
В таблице 5.1 приведены результаты измерений собственных частот колебаний балочных железобетонных пролетных строений, полученные экспериментальным путем, при проведении испытаний боле 28 железнодорожных мостов, расположенных на магистральных линиях АО «НК «К,ТЖ». Частоты определялись для двух значений, до устранения дефекта — увеличение слоя балласта под шпалой hб = 0,65 м и после, при нормальной толщине балласта под шпалой hб = 0,25 м.

В таблице 5.2 приведены результаты измерений собственных частот колебаний металлических балочных пролетных строений полученных, экспериментальным путем. Частоты определены для бездефектного и дефектного балочных пролетных строений.

Далее приведены результаты измерений собственных частот и напряжений в поясах (верхнем и нижнем) для бездефектных и дефектных балочных металлических (Таблица 5.3) и железобетонных (Таблица 5.4) пролетных строений железнодорожных мостов.

Практический интерес при оценке технического состояния представляет количественная оценка изменения собственной частоты колебаний балочных железобетонных и металлических пролетных строений в зависимости от наличия дефектов, накопленных за время эксплуатации моста.

Экономический эффект от внедрения методик вибродиагностики балочных пролетных строений железнодорожных мостов

Экономический эффект от внедрения методик вибродиагностики балочных пролетных строений железнодорожных мостов состоит из следующих показателей:

• Снижение трудозатрат при вибродиагностике балочных пролетных строений железнодорожных мостов за счет исключения некоторых видов работ и автоматизированной работы комплексов ТПАК и ВПАК.
• Повышение безопасности движения вследствие получения достоверной информации о состоянии сооружения и принятие своевременного квалифицированного решения.
• Внедрения рекомендаций по ремонту искусственных сооружений на основании вибродиагностики балочных пролетных строений железнодорожных мостов.

Используя справочник базовых цен (СБЦ) на проектные и обследовательские работы для капитального ремонта и реконструкции инженерных сооружений железнодорожного транспорта можно рассчитать стоимость работ [119].

Как известно, класс моста (грузоподъемность моста) определяется по самому слабому элементу самого дефектного пролетного строения. В таблице Б-1 Приложения Б, представлены экстремумы измеренных напряжений в средней части металлической 27-ми метровой балки, возникающих при воздействии различных типов подвижного состава. Экономический эффект от внедрения вибродиагностики напрямую зависит от расчетного пролета, количества балок в пролете и числа пролетов в транспортном сооружении.

Выводы по пятой главе

При проведении вибродиагностики, в качестве параметров, характеризующих техническое состояние пролетных строений, предлагаются:

• первая частота (период) собственных колебаний балочных металлических и железобетонных пролетных строений железнодорожных мостов;
• коэффициент относительного демпфирования металлических и железобетонных балочных пролетных строений железнодорожных мостов;
• относительные деформации (напряжения) балочных пролетных строений железнодорожных мостов в середине пролета.
  Результатом использования методик является оценка технического состояния балочных пролетных строений железнодорожных мостов, определяемая двумя видами состояния — бездефектное (когда балочное пролетное строение не имеет дефекты, снижающие его грузоподъемность, т.е. работоспособное) и дефектное (когда по результатам оценки обследования и испытания, измеренные значения: собственных частот (периодов), коэффициента относительного демпфирования и относительных деформаций (напряжений), выполненных в соответствии с требованиями нормативных документов можно диагностировать наличие дефекта).
  Оценку технического состояния проводят, сравнивая величины первой собственной частоты и коэффициента относительного демпфирования, полученные по результатам натурных испытаний параметров колебания балочных пролетных строениях моста, со значениями первой собственной частоты (периода) и коэффициента относительного демпфирования, полученными расчетом на моделях бездефектных балочных пролетных строений.

Заключение

Службам железных дорог, занимающимся эксплуатацией искусственных сооружений, необходимо иметь полную информацию о техническом состоянии пролетных строений. По результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

1. в качестве параметров для диагностики и оценки технического состояния балочных пролетных строений могут быть использованы величины первых собственных частоты колебаний и коэффициенты относительного демпфирования;
2. исследованиями установлено, что отсутствие или наличие дефектов в средней части металлических и железобетонных балок количественно характеризуется первой собственной частотой колебаний и коэффициентом относительного демпфирования пролетного строения;
3. обоснована возможность применения импульсного воздействия малой интенсивности для определения низшей собственной частоты (периода) колебаний металлических и железобетонных балочных пролетных строений.
4. выполненные МКЭ расчеты позволили получить количественные показатели диагностируемых параметров в зависимости от состояния балочных пролетных строений железнодорожных мостов;
5. усовершенствованы методики вибродиагностики новых и эксплуатируемых металлических и железобетонных балочных пролетных строений железнодорожных мостов, позволяющие значительно снизить трудозатраты на оценку технического состояния сооружения;
6. предложенные методики вибродиагностики эксплуатируемых металлических и железобетонных балочных пролетных строений железнодорожных мостов внедрены в практику и применяются на магистральных линиях АО «НК «К,ТЖ»;
7. используемые комплексы ВПАК (для обработки сигналов с сейсмометоров) позволяют повысить точность определения динамических параметров, а ТПАК (тензоизмерения) дают возможность записывать диаграммы относительных деформаций, по которым можно определить напряженно-деформированное состояние элементов конструкций балочных пролетных строений мостов при воздействии подвижной нагрузки;
8. корректность методик вибродиагностики пролетных строений подтверждена динамическими испытаниями более 28 искусственных сооружений на объектах структурных подразделений АО «НК «К,ТЖ», в частности, на следующих дистанциях пути: Алматинской УПЧ-46, Семипалатинской ПЧ-39, Астанинской УПЧ-17, Экибастузской УПЧ-30.
   Результаты исследований, выполненных автором, используются в учебном процессе кафедры «Транспортное строительство» Казахской академии транспорта и коммуникаций им. М. Тынышпаева, по дисциплине «Обследование и испытание мостов», и другими специализированными организациями при проведении обследований и динамических испытаний.
   Основные положения и результаты по теме диссертации изложены в следующих статьях [9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 29, 50, 51, 52, 53, 54, 59, 65, 74, 83, 92] трудов Научно-технических конференций и Научно-технических журналов России и Казахстана, восемь из которых в журналах, рекомендованных ВАК [9, 10, 11, 12, 50, 51, 59, 65].

Список литературы

106. COSMOSM user manual version 1.75. Santa Monica, CA: Structural Research and Analysis Corporation. — 1996.
107. Dewolf J.T., Coon P.E., O’Lcary P.N., Continuous Monitoring of Bridge Structures, IABSE Symposium San Francisco. — 1995.
108. Fryba, L. Dynamics of Railway Bridges [Text] / L. Fryba. — Praha: Academia Praha. — 1996. — p.330.
109. Fryba, L. Vibration of Solids and Structures Under Moving Loads [Text] / L. Fryba. — Prague: Academia Prague. -1972. — p.484.
110. S.S. Law, X.Q. Zhu. Dynamic behavior of damaged concrete bridge structures under moving vehicular loads.// Engineering Structures, Hong Kong, China. — 2004. — №26.- рр.1279 -1293.
111. Liu X, Global Monitoring System on Lantau Fixed Crossing in Hong Kong, IABSE Symposium San Francisco 1995.
112. Krylov V.V. Effects of Track Properties on Ground Vibrations/Generated by High-Speed Trains / ACUSTICA — acta acustica, Vol. — 1998. №84 рр.78-90.
113. ГОСТ 6713-91. Прокат низколегированный конструкционный для мостостроения. Технические условия. — 2018.
114. Положение по оценке состояния и содержания искусственных сооружений на железных дорогах Союза ССР / Главное управление пути МПС. М.: Транспорт, 1991. — С. 28.
115. Пособие по проектированию стальных конструкций к СНиП П-23-81* «Стальные конструкции» ЦНИИСК им. Кучеренко Госстроя СССР. М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1989. — С. 149.
116. Руководство по определению грузоподъемности железобетонных пролетных строений железнодорожных мостов / МПС. М.: Транспорт, 1989.
117. Руководство по пропуску подвижного состава по железнодорожным мостам / Главное управление пути МПС РФ. М.: Транспорт, 1993. — 368с.
118. Справочник базовых цен на проектные и обследовательские работы для капитального ремонта и реконструкции инженерных сооружений железнодорожного транспорта. — М.: ГУП Гипротранспуть, 2003. — 50 с.
119. СНиП 3.06.07-86. Мосты и трубы. Правила обследований и испытаний. М., 1987. — С. 40.
120. СНиП 2.05.03-84*. Мосты и трубы. Госстрой России. М.: ГУПЦПП,1998 — С. 214.
121. СП 35.13330.2011. Мосты и трубы. Актуализированная редакция СНиП 2.05.03-84*, Москва, 2011.
122. СП 79.13330.2012. Мосты и трубы. Правила обследования и испытаний. Актуализированная редакция СНиП 3.06.07-86.
123. Технический отчет. Усиление углеродными железнодорожного моста по схеме 2*6м лог на 118 км ПК 6+00 магистральной железнодорожной линии АО «НК «К,ТЖ», «Астана-Павлодар» в Акмолинской области Республики Казахстан — Алматы.: АО «КазАТК им. М. Тынышпаева», 2016 — С. 46.
124. Технический отчет. Обследование и приемочные испытания автодорожного путепровода через железнодорожные пути московской железной дороги у станции Болшево в г. Королеве, М.: ОАОЦНИИС, 2005 — С. 126.
125. Технический отчет. Обследование и испытание железнодорожного путепровода по схеме 16,5+23,6+16,5м через автомобильную дорогу II категории на км 56 ПК9+50 железнодорожной линии Кульсары-Тенгиз. — Алматы.: АО «КазАТК им. М. Тынышпаева», 2018 — С. 126.
126. Технический отчет. Обследование и испытание железнодорожного путепровода по схеме 11,5+23,6+11,5м через автомобильную дорогу II категории на км 96 ПК5+20 железнодорожной линии Кульсары-Тенгиз. — Алматы.: АО «КазАТК им. М. Тынышпаева», 2018 — С. 121.
127. Техническийотчет. Обследование и приемочные испытания висячего моста через реку Иртыш в г. Семипалатинске (в 2-х томах), М.: ОАО ЦНИИС, 2001, том 1 — С. 175, том 2 — С. 71.
128. Технический отчет. Проведение испытаний моста через реку Самару в г. Самаре с пересчетом грузоподъемности пролетных строений, М.: ОАО ЦНИИС, 2003 — С. 103.
129. Технические условия проектирования железнодорожных, автодорожных и городских мостов и труб (СН 200-62). М.: Всесоюзное издательско- полиграфическое объединение МПС. 1962. — С. 328.