Technical aspect of the operation of accelerometers as composition of a system for monitoring engineering structures of a cable-stayed bridge over the Petrovsky canal in the construction of the Western Speed Diameter highway in Saint Petersburg

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Система мониторинга инженерных конструкций (СМИК) представляет собой технологию информационного обеспечения принятия решений по управлению параметрами состояния мостового сооружения на всех стадиях жизненного цикла, реализуемых посредством систематического или периодического слежения (наблюдения) за техническим состоянием конструкций [1–6].

Использование СМИК является обязательным условием при реализации любого объекта транспортной инфраструктуры, относящегося к внеклассным сооружениям, к которым, в свою очередь, относятся вантовые мосты. Система мониторинга инженерных конструкций реализуется для обеспечения требуемого уровня безопасности, в том числе снижением риска, связанного с причинением вреда жизни и здоровью граждан, окружающей застройке, имуществу и окружающей среде.

Основным показателем работоспособности СМИК является ее надежность, а именно свойство системы сохранять во времени способность выполнять требуемые функции в соответствии с заданными целями и условиями применения. При высокой степени надежности системы уменьшается риск возникновения нештатных ситуаций, который, в свою очередь, может привести к аварийным ситуациям, т.е. состояниям эксплуатируемого объекта, которые характеризуются нарушением пределов и (или) условий безопасности эксплуатации, при которых все неблагоприятные влияния источников опасности на персонал, население и окружающую среду удерживаются в приемлемых пределах посредством соответствующих технических средств, предусмотренных проектом. Иными словами, система мониторинга инженерных конструкций должна обеспечивать возможность детальной оценки технического состояния сооружения в момент наступления нештатных ситуаций с последующей оценкой рисков в кратчайшие сроки для недопущения ухудшения потребительских свойств мостового сооружения [7–10].

При использовании действующей СМИК вантового моста через Петровский канал в створе автомобильной дороги «Западный скоростной диаметр» в г. Санкт-Петербурге авторами неоднократно была зафиксирована нештатная ситуация, при которой датчиками-акселерометрами, расположенными в верхних точках пилонов, фиксируются значения, превышающие предельно допустимые.

В данной статье изучен вопрос возникновения исследуемой проблемы, проведен статистический анализ и составлен план для детального изучения причин возникновения явления с последующей оптимизацией и усовершенствованием действующей системы мониторинга инженерных конструкций.

ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ АКСЕЛЕРОМЕТРА В СИСТЕМЕ МОНИТОРИНГА ИНЖЕНЕРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

При мониторинге конструкций вантового моста особое внимание следует уделять динамическим воздействиям и анализу причин их возникновения. Необходимо оценивать элементы сооружения, которые наиболее податливы к динамическим нагрузкам: пилоны, пролетное строение [11–13].

В действующей системе мониторинга инженерных конструкций за сбор и оценку динамических показателей отвечает подсистема изменения динамических показателей. На Рис. 1 представлена схема расположения акселерометров на вантовом мосту.

 

Рис. 1. Схема расположения акселерометров на вантовом мосту через Петровский канал

Fig. 1. Scheme of accelerometers location on the cable-stayed bridge over the Petrovsky Canal

 

В свою очередь, в подсистему изменения динамических показателей входят акселерометры, расположенные в верхних точках пилонов, в середине и в четверти пролетных строений.

Подсистема изменения динамических показателей выдает динамические параметры сооружений в виде наборов ускорений колебаний при помощи акселерометров. Датчик измеряет в двух направлениях (X и Y) с регулируемой частотой дискретизации от 0 до 160 Гц при диапазоне изменений +/-3g. Измерения производятся продолжительностью 30 минут, после чего определяется максимальное значение, которое отображается на графике. При возникновении нештатной ситуации, когда датчик фиксирует значения, превышающие предельные, запись показаний производится с частотой 50 Гц с временным интервалом в 10 минут [14–17].

На Рис. 2 показан график изменения ускорений колебаний пилона при значениях, превышающих предельные.

 

Рис. 2. График изменения ускорений колебаний на пилоне при превышение предельных значений

Fig. 2. Graph of change of vibration accelerations on the pylon at exceeding the limit values

 

При эксплуатации действующей системы мониторинга инженерных конструкций на вантовом мосту через Петровский канал в створе автомобильной дороги «Западный скоростной диаметр» в городе Санкт-Петербурге авторами неоднократно замечались нештатные ситуации, связанные с фиксацией ускорений колебаний пилонов, превышающих предельные значения. В следующем разделе приведена оценка надежности подсистемы изменения динамических показателей, основанная на разделении полученных данных ускорений колебаний на две группы [18–19].

ОЦЕНКА НАДЕЖНОСТИ ПОДСИСТЕМЫ ИЗМЕНЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ

Анализ полученных ускорений колебаний показал, что все нештатные ситуации можно разделить на две группы.

К первой группе относятся случаи, в которых срабатывание аварийной системы вызвано динамическим воздействием на сооружение.

На Рис. 3 представлен график изменения ускорений колебаний пилона V-12 вдоль оси Y, полученных акселерометром А2. Горизонтальными линиями показаны пороговые значения ускорений (+/-2,5 м/с²), которые были посчитаны в расчетной модели при проектировании.

 

Рис. 3. График изменения ускорений колебаний на пилоне V-12, полученных акселерометром А2

Fig. 3. Graph of change of vibration accelerations on the V-12 pylon obtained from accelerometer A2

 

На представленном графике отсутствуют локализованные области резкого изменения значений ускорений, что свидетельствует о наполненности сигнала. Для подтверждения того, что срабатывание системы обосновано в конкретном случае, возможно использовать метод анализа, основанного на теории вероятности. Для это следует построить функцию плотности вероятности случайных величин для рассматриваемого сигнала, которая представлена на Рис. 4.

 

Рис. 4. Функция плотности вероятности случайных величин для сигнала акселерометра А2

Fig. 4. Probability density function of random variables for the signal from accelerometer A2

 

Из графика видно, что распределение близко к нормальному с около нулевым значением математического ожидания. Весь диапазон регистрируемых ускорений (от -5 м/с² до +5м/с²) является равномерно заполненным, о чем можно судить по сливающимся оранжевым точкам на графике Рис. 4. В окрестностях экстремальных значений есть некоторое количество отдельно стоящих точек, что может свидетельствовать о наличии случайных ошибок в процессе измерений. Несмотря на это, можно считать, что срабатывание аварийной системы в данном случае является обоснованным, поскольку статистически достоверные данные значения экстремальных ускорений лежат за пределами пороговых значений.

Для наглядности приводится еще один пример обоснованного срабатывания системы на пилоне V-13 (акселерометр А5), показанный на Рис. 5 и 6.

 

Рис. 5. График изменения ускорений колебаний на пилоне V-13, полученных акселерометром А5

Fig. 5. Graph of the change in vibration accelerations on the V-13 pylon obtained from accelerometer A5

 

Рис. 6. Функция плотности вероятности случайных величин для сигнала акселерометра А5

Fig. 6. Probability density function of random variables for the signal from accelerometer A5

 

Стоит отметить, что в данном случае количество случайных выбросов несколько выше, однако, срабатывание аварийной системы все еще можно считать обоснованным.

Ко второй группе случаев срабатывания аварийной системы относятся нештатные ситуации, когда срабатывание системы вызвано ошибками/сбоями в работе акселерометров, которые в дальнейшем будем обозначать термином – выброс.

Пример такого срабатывания системы показан на Рис. 7. Хорошо видно, что пороговые значения превышаются только отдельными сильно локализованными экстремумами значений ускорений.

 

Рис. 7. График изменения ускорений колебаний на пилоне V-12, полученных акселерометром А2

Fig. 7. Graph of change of vibration accelerations on the V-12 pylon obtained from accelerometer A2

 

Строгий вывод о том, что превышение пороговых значений возникло в результате выбросов, также может быть сделан при использовании методов анализа, основанных на теории вероятности. На Рис. 8 представлен график функции плотности вероятности для описываемого сигнала. Из графика видно, что функция плотности вероятности заполнена только в центральной околонулевой части. Область максимальных ускорений описывается одной точкой, область минимальных значений – 3 точками из диапазона от минус 2 до минус 9 м/с² (-2 м/с² – -9 м/с²).

 

Рис. 8. Функция плотности вероятности случайных величин для сигнала акселерометра А2

Fig. 8. Probability density function of random variables for the signal from accelerometer A2

 

Рис. 9. Диаграмма результатов. Процентное соотношение количеств срабатываний системы между акселерометров А2 и А5

Fig. 9. Results diagram. Percentage ratio of the number of system activations between accelerometers A2 and A5

 

Рис. 10. Диаграмма результатов. Процентное соотношение количеств срабатываний системы по временам года

Fig. 10. Results diagram. Percentage ratio of the number of system activations by season

 

Рис. 11. Диаграмма результатов. Процентное соотношение количеств срабатываний системы по времени суток

Fig. 11. Results diagram. Percentage ratio of the number of system activations by time of day

 

Далее приведен статистический анализ нештатных ситуаций за весь период эксплуатации.

СТАТИСТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ РАБОТЫ АКСЕЛЕРОМЕТРОВ НА ПИЛОНАХ

Статистический анализ производился по полученным данным акселерометров, расположенных в верхних точках пилонов за весь период эксплуатации вантового моста. За период с 08.2017 по 05.2023 включительно произошло 671 срабатывание аварийной системы.

Для детальной проработки весь статистический анализ разбивается на 3 этапа. На 1 этапе оценивались количественные показатели срабатываний по каждому из датчиков. После данной операции производился анализ даты и времени для определения времени года и времени суток, чтобы оценить зависимость срабатывания системы от температуры окружающей среды и интенсивности временной нагрузки, которая значительно изменяется в часы пик.

В Табл. 1 приведена выкладка результатов по 1 этапу статистического анализа.

 

Таблица 1. Результаты 1 этапа статистического анализа

Table 1. Results of statistical analysis stage 1

№ п/п	Сработавший акселерометр		Время года				Время суток
	А2	А5	Лето	Осень	Зима	Весна	Утро	День	Вечер	Ночь
1.	448	223	–	–	–	–	–	–	–	–
2.	–	–	217	132	178	144	–	–	–	–
3.	–	–	–	–	–	–	104	234	213	120
Общее количество срабатываний			671

 

Из результатов видно, что превалирует срабатывание акселерометра А2, расположенного на пилоне V-12, в большей степени в дневное время в летний период, что свидетельствует о влиянии температуры окружающей среды на срабатывание аварийной системы. Также стоит сделать вывод, что на срабатывание системы не влияет интенсивность временной нагрузки, так как максимальная интенсивность движения по вантовому мосту происходит в утренние часы.

На этапе 2 статистического анализа производилась классификация обрабатываемых данных по двум группам срабатывания аварийной системы, описанных выше. Из полученных результатов, отраженных в Табл. 2, следует, что обоснованное срабатывание аварийной системы фиксируется акселерометром А2 в зимний период в дневное и вечернее время суток и составляет 22,95% от общего числа срабатываний системы, что подтверждает выводы, сделанные по 1 этапу анализа и указывает на необходимость проведения 3 этапа статистического анализа, связанного с оценкой влияния ветрового потока.

 

Таблица 2. Результаты 2 этапа статистического анализа

Table 2. Results of statistical analysis stage 2

№ п/п	Сработавший акселерометр		Время года				Время суток
	А2	А5	Лето	Осень	Зима	Весна	Утро	День	Вечер	Ночь
1.	113	41	–	–	–	–	–	–	–	–
2.	–	–	3	54	72	25	–	–	–	–
3.	–	–	–	–	–	–	32	47	47	28
Кол-во обоснованных срабатываний			154
% обоснованных срабатываний			22,95%
% выбросов			77,05%

 

Из-за повышенной чувствительности к ветровым нагрузкам необходимо оценить влияния ветрового потока на срабатывание аварийной системы. Для оценки использовались два параметра ветрового потока: скорость и направление. Для наглядности построена роза ветров для 1 группы срабатывания аварийной системы, а также для каждого акселерометра по отдельности. Данные графики представлены на Рис. 12–14. Стоит отметить, что результаты измерений анеморумбометром в СМИК отображаются из учета встречного направления ветра – от края к центру графика.

 

Рис. 12. Роза ветров по 1 группе срабатывания (общий)

Fig. 12. Wind rose by 1 triggering group (general)

 

Рис. 13. Роза ветров по 1 группе срабатывания (акселерометр А2)

Fig. 13. Wind rose by 1 triggering group (accelerometer A2)

 

Рис. 14. Роза ветров по 1 группе срабатывания (акселерометр А5)

Fig. 14. Wind rose by 1 triggering group (accelerometer A5)

 

По результатам анализа розы ветров следует, что обоснованные срабатывания аварийной системы на акселерометре А2 происходят при направлении ветра Север-Северо-восток (0–45 градусов) и Север-Западное направление (315–337,5 градусов), а для акселерометра А5 – Юг-Юго-восток-Юго-запад (157,5–202,5 градусов). Иными словами, на пилон V-12, расположенный на Юге, влияние оказывает северное направление ветра, а на пилон V-13, находящийся на Севере, – Южное. При этом средняя скорость ветра варьируется в диапазоне 15–16 м/с.

ВЫВОДЫ

Авторами проанализирована работа действующей системы мониторинга инженерных конструкций на вантовом мосту через Петровский канал в створе автомобильной дороги «Западный скоростной диаметр» в городе Санкт-Петербурге по причине возникновения нештатных ситуаций, при которых акселерометрами на пилонах фиксируются значения, превышающие предельные.

Анализ данных, представленный в статье, позволяет сделать следующие выводы:

1. В большинстве случаев (77,05%) причиной срабатывания аварийной система СМИК являются выбросы – физически не обоснованные превышения пороговых значений, возникающие из-за ошибок в работе измерительных систем.
2. При анализе было получено, что на количество выбросов оказывает влияние температура окружающей среды. Для подтверждения гипотезы необходимо провести натурный эксперимент по измерению температуры в конструкции пилона в месте расположения акселерометра в самый жаркий период времени.
3. В 22,95% случаях установлено, что причины срабатывания аварийной системы СМИК являются физически обоснованными. При этом направление ветра и его скорость, измеренная анеморумбометром в верхней точке пилона, позволяют предположить, что возбуждение конструкции вызвано откликом на турбулентный ветровой поток или срывы вихрей.
4. Для дальнейшего выяснения причин колебаний пилонов необходимо произвести расчеты частот собственных колебаний по полученным данным ускорений и сравнить с проектными значениями.
5. Для адекватной оценки текущего состояния вантового моста через Петровский канал в створе автомобильной дороги «Западный скоростной диаметр» в городе Санкт-Петербурге необходимо уменьшить количество выбросов. Для решения этой задачи коллективом авторов принято решение о разработке методики оценки работоспособности систем мониторинга инженерных конструкций с учетом синхронизации работы датчиков СМИК.

Авторы заявляют, что:

1. У них нет конфликта интересов;
2. Настоящая статья не содержит каких-либо исследований с участием людей в качестве объектов исследований.

The authors state that:

1. They have no conflict of interest;
2. This article does not contain any studies involving human subjects.

About the authors

Andrey A. Makhonko

Highway Operator Nord, LLC

Author for correspondence.
Email: makhonkoaa@gmail.com
ORCID iD: 0009-0003-6763-2811
SPIN-code: 3629-3734

Head of Construction Supervision Department

Russian Federation, Saint Petersburg

Yuri G. Lazarev

Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University

Email: lazarev_yug@spbstu.ru
ORCID iD: 0000-0002-5616-1191
SPIN-code: 5456-2574

Doctor of Sciences in Engineering, Professor

Russian Federation, Saint Petersburg

Anatoly A. Antonyuk

Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University

Email: aaa.12.03.1992@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-7169-6592
SPIN-code: 4469-8646

Engineer

Russian Federation, Saint Petersburg

References

Supplementary files