Transport systems load-bearing structures state diagnistics and monitoring

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Действующая на территории Российской Федерации нормативно-правовая база (ФЗ № 384, СП 274.1325800.2016, ГОСТ 31937-2011) регламентирует необходимость установки систем мониторинга технического состояния для сооружений, удовлетворяющих хотя бы одному из следующих условий:

• высота более 100 м;
• пролеты более 100 м;
• мосты, построенные как экспериментальные, в том числе из новых материалов или с применением новых технологий;
• мосты в условиях плотной городской застройки при расположении конструктивных элементов ближе 20 м от существующих зданий и сооружений.

Очевидно, что искусственные сооружения новой транспортной инфраструктуры «Маглев» будут попадать под эти требования. Кроме того, обоснование конкурентных преимуществ магнитолевитационного транспорта (по критериям надежности и безопасности) над уже существующими традиционными видами транспорта невозможно без организации процесса диагностики и мониторинга основных несущих конструкций [1]. Автоматизированные системы диагностики и мониторинга позволят аккумулировать экспериментальные данные об особенностях реальной работы новых конструктивных элементов и формировать «банк» знаний для совершенствования проектных решений в условиях отсутствия опыта эксплуатации [2].

Ключевой проблемой проектирования систем мониторинга технического состояния для объектов, имеющих существенную протяженность, является выбор измерительного оборудования [3], технологии и подходов в организации работ [4].

При проектировании систем мониторинга протяженных конструкций распространены системы с использованием оптоволоконных датчиков [5–8]. Одна из конструктивных особенностей большей части оптоволоконных датчиков заключается в их заделке непосредственно в конструкцию, что исключает возможность выполнения сервисного обслуживания и замены. Исходя из этого при проектировании систем, базирующихся на оптоволоконных датчиках, закладывают определенный процент дублирующего оборудования на случай его потери в процессе монтажа или старения в процессе эксплуатации. Так согласно данным крупнейшего в Европе производителя оптоволоконного оборудования для геотехнического и структурного мониторинга (Smarteс) выживаемость в случае заделки датчиков при монтаже составляет порядка 90–100 %, потери связанные со старением оборудования в результате воздействия агрессивной среды, составляет порядка 1–2 % в год [8]. Соответственно ежегодные потери по оборудованию в случае большого объема датчиков могут составлять значительные суммы. Поэтому необходимо совершенствовать подходы к организации мониторинга технического состояния.

МОНИТОРИНГ ПРОЛЕТНЫХ СТРОЕНИЙ

Учитывая дороговизну стационарных систем мониторинга, существенно снижающую их эффективность, возможно развитие альтернативных подходов. Например, для мониторинга состояния протяженных объектов, имеющих высокую степень повторяемости конструктивных элементов, будет целесообразным использование мобильных диагностических комплексов [9]. При таком подходе оборудование не закрепляют за объектом для непрерывного мониторинга, а переставляют его по элементам по специально разрабатываемой программе мониторинга или по мере необходимости. Мониторинг в этом случае – это набор периодически выполняемых в единой системе автоматизированных диагностических процедур. Таким образом, можно достигнуть значительной экономии средств на оборудование для мониторинга. Кроме того, мобильные системы обеспечивают возможность выполнения сервисного обслуживания оборудования и его поверок.

Основной проблемой эффективного функционирования такой системы будет выбор контролируемых параметров, которые должны быть информативны для обеспечения корректной оценки, а их количество ограниченно для обеспечения мобильности и уменьшения стоимости. Если принять в качестве основных несущих конструкций пролетных строений струнные системы, то выбор основного контролируемого параметра становится очевидным – это частоты собственных колебаний.

Известна зависимость между частотой поперечных колебаний нити v_n и усилием ее натяжения N:

$v_{\mathit{n}}\mathit{=}\frac{\mathit{n}}{\mathit{2}{\mathit{L}}_{\mathit{s}}}\sqrt{\frac{\mathit{N}}{{\mathit{m}}_{\mathit{s}}}}\mathit{,}$ (1)

или

$N=\frac{m_s·{(2L_s·v_n)}^2}{n^2},$ (2)

где n – порядковый номер моды колебаний (число полуволн);

 L_s – длина пролета струны;

 m_s – погонная масса струны.

Изменение собственной частоты колебаний конструкции струны будет индикатором возникновения повреждений в пролетном строении. Зафиксировать эти изменения можно с помощью вибродатчиков существующих сертифицированных измерительных систем. Например, специалисты СибНИИ мостов СГУПС используют для этих целей систему «Тензор МС» (Рис. 1).

 

Рис. 1. Автоматизированный измерительный комплекс «Тензор МС» для диагностики и мониторинга:

а – в мобильном исполнении на ванте Югорского моста через р. Обь

1 – вибродатчик;

2 – коммутационно-измерительный блок.

b – в стационарном исполнении для напрерывного мониторинга на подвеске моста через р. Енисей на обходе г. Красноярска

 

Методы, основанные на анализе динамических параметров [10–12] позволяют осуществлять неразрушающую диагностику преднапряженной струны. По характеру своей динамической работы преднапряженные струнные элементы схожи с вантами [10]. Заметим, что отличительной чертой динамической работы вант является целочисленная кратность частот собственных колебаний, что позволяет идентифицировать их при обработке графиков широкого спектра частот мостового сооружения в целом. На Рис. 2 приведен пример спектра частот, зафиксированных на пролетном строении, и выделенный спектр для вантового элемента. Выделение собственных частот происходит при отсутствии временной подвижной нагрузки на пролетном строении, возбуждение колебаний при этом происходит от «шумовых» (ветер, проезд транспорта около сооружения и т.п.) внешних воздействий.

 

Рис. 2. Выделение спектра частот колебаний ванта (струны)

 

Выбор места для установки вибродатчика осуществляют исходя из необходимости фиксации максимально возможного количества форм колебания струны, т.е. в месте заделки или опирания струны.

МОНИТОРИНГ ОПОР

Учитывая, что вибродатчик для диагностики натяжения струны целесообразно ставить над опорой, можно использовать его и для диагностики состояния опор струнной транспортной системы. В качестве расчетной схемы промежуточной опоры применяют вертикальную консоль с заделкой в грунты основания. Частоту основного (первого) тона собственных колебаний идеальной консоли определяют по формуле:

$v_n=\frac{0,56}{L_0^2}\sqrt{\frac{EI}{m_0}},$ (3)

где E – модуль упругости материала;

 I – момент инерции поперечного сечения;

 L_о – длина консоли;

 m_о – погонная масса конструкции.

Соответственно при развитии повреждений в опоре будет изменяться и частота собственных колебаний конструкции. Заметим, что для значимого изменения собственных колебаний тело опоры должно получить существенные повреждения, которые могут быть и визуально выявлены службой эксплуатации сооружения. Но фиксация изменения собственных частот позволяет выявить проблемы, которые могут возникнуть в невидимых частях опор (карстовые явления, размывы [13–15], деградация многолетнемерзлых грунтов и т.п.), так как в этом случае изменяются граничные условия в расчетной схеме с соответствующим изменением основной гармоники собственных колебаний. Иллюстрация процесса мониторинга опоры приведена на Рис.3.

 

Рис. 3. Диагностика повреждений промежуточных опор в системе мониторинга:

1 – исправное состояние;

2 – сверхнормативное воздействие;

3 – поврежденная конструкция

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Для оценки напряженно-деформированного состояния основных несущих конструкций магнитолевитационных транспортных систем с применением струнных пролетных строений предложено измерять частоты собственных колебаний. Организация диагностики или мониторинга изменения частот собственных колебаний несущих конструкций обеспечивает необходимый уровень эксплуатационной надежности «маглев» при применении инновационных струнных систем пролетных строений.

Авторы заявляют что:

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

About the authors

Andrey N. Yashnov

Siberian Transport University

Author for correspondence.
Email: yan_andr@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-7435-3376
SPIN-code: 4319-4860

PHD in engineering

Russian Federation, Novosibirsk

Lyubov A. Vasilchuk

Siberian Transport University

Email: vasilchuck97@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-6332-4211
SPIN-code: 4206-6929
Russian Federation, Novosibirsk

Pavel Yu. Kuzmenkov

Siberian Transport University

Email: kpu31@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-4498-3761
SPIN-code: 4985-7938
Russian Federation, Novosibirsk

Ivan V. Chaplin

Siberian Transport University

Email: ivannumber1_chaplin@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-9751-079X
SPIN-code: 1643-0669

PHD in engineering

Russian Federation, Novosibirsk

References

Supplementary files