Опыт эксплуатации системы мониторинга вантового моста через петровский канал в створе автомобильной дороги «Западный скоростной диаметр» в Санкт-Петербурге

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

В современных условиях использование систем мониторинга инженерных конструкций (СМИК) является важным компонентом жизненного цикла внеклассных мостовых сооружений.

Применение СМИК является обязательным для обеспечения требуемого уровня безопасности в рамках действующей нормативной базы, в том числе для снижения риска, связанного с причинением вреда жизни и здоровью граждан, окружающей застройке, имуществу и окружающей среде [1–3].

Система мониторинга инженерных конструкций 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 [4–6].

К основным задачам систем мониторинга необходимо отнести:

1. Оценка напряженно-деформированного состояния конструктивных элементов и всего сооружения с учетом имеющихся дефектов и повреждений [7, 8];
2. Анализ и оценка степени влияния внешних воздействий на несущую способность в рассматриваемый момент времени и на прогнозируемый период;
3. Прогнозирование долговечности сооружения с учетом внешних воздействий и происходящих процессах деградации;
4. Разработка стратегий по восстановлению или улучшению потребительских свойств на действующих или проектируемых сооружениях [9, 10].

При использовании действующей системы мониторинга инженерных конструкций вантового моста через Петровский канал в створе автомобильной дороги ЗСД в Санкт-Петербурге авторами были выделены несколько проблем, влияющие на качество оценки технического состояния мостового сооружения.

В данной статье авторами будет рассмотрена одна из основных проблем в действующей системе мониторинга – невозможность синхронизации показаний со всех датчиков в рассматриваемый период времени, что приводит к невозможности корректной оценки напряженно-деформированного состояния мостового сооружения в целом.

ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА ИНЖЕНЕРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Согласно ГОСТ Р 59943-2021 в качестве объектов мониторинга необходимо рассматривать мостовые сооружения, имеющие длину одного из пролетов более 100 м или высотой опор более 15 м. В связи с этим устройство СМИК рассматриваемого моста является обязательным условием при эксплуатации сооружения [11, 12].

При мониторинге конструкций вантового моста предусматривается определение необходимых параметров для анализа напряженно-деформированного состояния различных элементов сооружения. Мониторингу подлежат элементы моста, подверженные наибольшим нагрузкам и изменениям состояния в процессе эксплуатации: опоры, пилоны, вантовая система, пролетное строение [13].

Основными параметрами, которые определяются в процессе мониторинга являются: абсолютные и относительные смещения конструкций; динамические показатели, влияющие на износ конструкций; натяжение вантовой системы; напряженно-деформированное состояние пролетного строения [14, 15].

На Рис. 1 представлена схема расположения датчиков СМИК на вантовом мосту через Петровский канал в створе автомобильной дороги ЗСД в городе Санкт-Петербурге.

 

Рис. 1. Схема расположения датчиков системы мониторинга инженерных конструкций

 

Установленную систему мониторинга инженерных конструкций можно разделить на подсистемы, которые представлены на Рис. 2.

 

Рис. 2. Схема системы мониторинга инженерных конструкций

 

В каждой подсистеме находится элемент мостового сооружения, на который устанавливается датчик или группа датчиков. В Табл. 1 представлены зоны контроля и количество установленных датчиков, распределенных по подсистемам СМИК.

 

Таблица 1. Зоны контроля, подсистемы и количество датчиков

№ п/п	Наименование подсистемы СМИК	Элементы моста, подлежащие мониторингу	Датчики, установленные на элементы моста
1.	Подсистема контроля усилия вант	Вантовая система	Датчик усилия вант (16 шт)
2.	Подсистема изменения динамических показателей	Пилоны; Пролетные строения	Акселерометр (5 шт)
3.	Подсистема контроля углов и смещений	Промежуточные опоры; пролетные строения	Инклинометр (9 шт)
4.	Подсистема спутникового позиционирования	Пилоны; пролетное строение	GPS-станция (3 шт)
5.	Подсистема сбора метеоданных	Пилон	Анеморумбометр (1 шт)

 

Далее приведем принцип работы каждой подсистемы с описанием датчиков, входящих в нее.

В подсистеме контроля усилия вант используются датчики усилия, которые установлены на самые нагруженные ванты. Датчики измеряют деформацию в стренде, после чего происходит перерасчет в усилия натяжения. Диапазон измерений составляет от 0 до 240 кН с частотой сбора данных равной 1 Гц. Измерения производятся продолжительностью в 30 минут, после чего определяется среднее значение на данном временном интервале с последующим построением графика изменения усилий в каждой ванте.

На Рис. 3 представлен график изменения усилия нескольких стрендов вант за сутки.

 

Рис. 3. График изменения усилий в стендах вант

 

Подсистема изменения динамических показателей выдает динамические параметры сооружений в виде наборов ускорений колебаний при помощи акселерометров. Акселерометры расположены в точках, наиболее податливых к динамическим воздействиям: верхняя точка пилонов, середина и четверть пролетных строений. 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 ситуации, когда датчик фиксирует значения, превышающие предельные, запись показаний производится с частотой 50 Гц с временным интервалом в 10 минут.

На Рис. 4 показан график изменения ускорений колебаний пилона при значениях, превышающих предельные.

 

Рис. 4. График изменения ускорений колебаний на пилоне при превышении предельных значений

 

В подсистеме контроля углов и смещений используются одноосевые гравитационно-ориентированные инклинометры, расположенные на промежуточных опорах и пролетных строениях, в местах наиболее подверженных деформации кручения: середина и четверть пролета. Инклинометры смонтированы на уровне проезжей части и измеряют угол поворота в направлении перпендикулярном оси моста. Диапазон измерений +/-5° с частотой сбора данных 1 Гц. Измерения производится в 30-ти минутный интервал времени с последующим получением среднего значения, которые отображается на графике.

На Рис. 5 показан график изменения углов поворота в середине и четвертях пролетного строения.

 

Рис. 5. График изменения углов поворота пролетного строения

 

Для работы подсистемы спутникового позиционирования используются спутниковые приемники, принимающие радиосигналы от спутниковых навигационных систем ГЛОНАС и GPS. Данные спутниковые приемники используются для наблюдения за смещением критических точек, которыми являются верхние точки пилонов и середина пролетного строения. Точность зависит от различных факторов, таких как количество отслеживаемых спутников, геометрия созвездия, время наблюдения, точность эфемерид, ионосферные возмущений. Частота позиционирования составляет 1 Гц с количеством каналов равным 120. Измерения осуществляются по трем координатам (X, Y, Z) в 30-ти минутном интервале с последующим определением среднего значения по каждому из направлений.

На Рис. 6 представлен график с GPS-станции, установленной на пилоне по трем направлениям измерения.

 

Рис. 6. График изменения смещений верхней точки пилона по трем направлениям

 

Для работы подсистемы сбора метеоданных используется анеморумбометр, который позволяет измерить скорость и направление ветра. Диапазон измерения скорости составляет от 0 до 60 м/с. Устанавливается прибор на верхней точке пилона. Измерения осуществляются в аналогичном временном интервале с частотой сбора данных 1 Гц. Анеморумбометр позволяет получать максимальные, минимальные и средние значения.

На Рис. 7 показан график изменения средней скорости и среднего направления ветра.

 

Рис. 7. График изменения средней скорости ветра и среднего направления ветра

 

В Табл. 2 приведена сводная ведомость по датчикам, в которой основным параметром следует рассмотреть частоту выходных данных, полученную после анализа СМИК.

 

Таблица 2. Характеристики датчиков

№ п/п	Наименование датчика	Единицы измерения датчиков	Частота выходных данных, Гц	Временной интервал выходных данных, мин
1.	Датчик усилия вант	кН	0,0005	30
2.	Акселерометр	м/с2	0,0005/50	30/10
3.	Инклинометр	°	0,0005	30
4.	GPS-станция	мм	0,0005	30
5.	Анеморумбометр	м/с, °	0,0005	30

 

Из Табл. 2. видно, что частота выходных данных акселерометра имеет значительное превышение в 50 Гц в момент фиксирования значений, превышающих предельные.

В момент фиксирования значений акселерометром, превышающих предельные, другие датчики продолжают выдавать усредненные значения с низкой частотой в 0,0005 Гц, что приводит к невозможности синхронизации показаний со всех датчиков в рассматриваемый период времени.

Также из анализа результирующих графиков измерений, представленных на Рис. 3–7, учитывая саму цель устройства СМИК, можно констатировать, что каждый измеряемый параметр и временные диапазоны его записи отличны друг от друга, что не позволяет корректно определить причины возникновения нештатных ситуаций, произвести оценку рисков и своевременно принять соответствующие решения в режиме реального времени для недопущения возникновения аварийных ситуаций.

Исходя из выше сказанного следует, что при существующей системе мониторинга возможно производить анализ только отдельных усредненных параметров напряженно-деформированного состояния сооружения, что не позволяет давать корректную оценку об общем техническом состоянии всего мостового сооружения.

ВЫВОДЫ

Авторами статьи проанализирована работа действующей системы мониторинга инженерных конструкций на вантовом мосту через Петровский канал в створе автомобильной дороги ЗСД в городе Санкт-Петербурге.

Для решения найденной проблемы предлагается:

1. Внести в нормативную документацию рекомендации про необходимость учета синхронизации датчиков в определенный период времени при достижении предельных значений на одном из датчиков системы мониторинга на момент составления проекта СМИК;
2. Произвести оптимизацию системы, при которой получится синхронизировать работу датчиков СМИК в момент фиксации одним из датчиков значений, превышающих предельные, путем единовременной записи соответствующих значений с каждого датчика с максимально возможной частотой.

Авторы заявляют, что:

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

Об авторах

Андрей Андреевич Махонько

ООО «ОСА-Север»

Автор, ответственный за переписку.
Email: makhonkoaa@gmail.com
ORCID iD: 0009-0003-6763-2811
SPIN-код: 3629-3734

инженер отдела дорожного надзора

Россия, Санкт-Петербург

Алексей Васильевич Мальков

ООО «ОСА-Север»

Email: aleksey.malkov@nch-spb.ru
ORCID iD: 0009-0002-4006-2006

начальник дорожно-эксплуатационной службы

Россия, Санкт-Петербург

Андрей Анатольевич Белый

Военная академия материально-технического обеспечения имени генерала армии А.В. Хрулева

Email: andbeliy@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-2825-1368
SPIN-код: 1729-5977

к.т.н., доцент

Россия, Санкт-Петербург

Анатолий Анатольевич Антонюк

Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I

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

инженер-исследователь

Россия, Санкт-Петербург

Список литературы

Дополнительные файлы