Методические рекомендации по вибродиагностике автодорожных мостов

2. Методы вибродиагностики, технология проведения работ

2.1. Рекомендации разработаны с учетом опыта оценки динамических характеристик сооружения с применением различных способов нагружения, измерений и обработки экспериментальных данных. В общем случае, методы вибродиагностики могут быть условно разделены на пассивные и активные.

2.1.1. Методами пассивной вибродиагностики являются те, когда отсутствует специальная система нагружения исследуемой конструкции, а в качестве режима нагружения используется случайное или регулярное фоновое воздействие природного или техногенного характера.

Практическое использование метода пассивной вибродиагностики осуществляется при случайном воздействии: транспортного потока, прогона одиночного автомобиля, ветра и т.д. Практически все эти виды случайного воздействия (ветер, транспортный поток, микросейсмы и т.д.) носят нестационарный, неэргодический характер. Применительно к автодорожным мостам это означает, что при исследовании параметров динамического отклика под воздействием транспортного потока требуется значительное увеличение времени наблюдений и регистрации параметров отклика, доверительная вероятность получаемых результатов невысокая. Затруднительно получение устойчивых форм колебаний и передаточных функций параметров отклика конструкции, т.к. параметры силового воздействия остаются неизвестными. В зависимости от способа регистрации и обработки экспериментальных данных, характеристиками отклика сооружения могут являться: частоты низших форм колебаний пролетных строений, спектры мощности или относительных амплитуд, величина добавки динамического коэффициента. Сопоставление результатов с данными расчетной модели сооружения носит, скорее, качественный характер и может проводиться по частотам 1-2 низших форм колебаний (частотный анализ), использование более совершенных методов анализа затруднительно.

2.1.2. Методы активной вибродиагностики характеризуются искусственным приложением к конструкции сооружения импульсной или гармонической, вибрационной нагрузки, как частный случай, применяется стохастический процесс нагружения, имеющий стабильные статистические характеристики (стационарный, эргодический процесс).

Практическое использование импульсного нагружения в активной вибродиагностике осуществляется: прогоном одиночного автомобиля через искусственные неровности, оттяжкой конструкции тросом через размыкающее звено, сбросом груза или ударом через пластичную прокладку и т.д. При активном воздействии на конструкцию импульсной нагрузкой, из-за малой продолжительности воздействия, получение стационарных колебаний затруднительно, что приводит к необходимости многократного повторения нагружения. В зависимости от способа регистрации и обработки экспериментальных данных, характеристиками отклика сооружения могут являться: частоты низших форм колебаний пролетных строений, спектры мощности или относительных амплитуд, величина добавки динамического коэффициента. Сопоставление результатов с данными расчетной модели сооружения также носит качественный характер.

Использование гармонического нагружения в активной вибродиагностике более эффективно, но требует применения достаточно сложных и дорогих вибровозбудителей, среди которых наиболее известны 2-вальные эксцентриковые вибромашины, конструкции ЦНИИСК им. В.А.Кучеренко с управляемой частотой вращения. Усилие воздействия в них изменяется ступенчато, перестановкой эксцентриков. За рубежом, взамен механических вибромашин, широко применяются электросервогидравлические вибровозбудители, которые позволяют проводить нагружение и регистрацию измеряемых параметров в режиме "управляемого эксперимента", с использованием управляющей ПЭВМ. Основной особенностью всех вышеуказанных устройств является их стационарное базирование, т.е. необходимость их жесткого анкерного крепления на испытываемом сооружении.

Общими недостатками вышеуказанных методик являются:

- невозможность исследования взаимодействия сооружения с грунтовым массивом;

- невозможность определения передаточных функций отклика сооружения по отношению к входному воздействию, с полным учетом фазовой составляющей (за исключением зарубежных электросервогидравлических возбудителей).

Более современным вибровозбудителем является мобильный (на базе автомобиля) сейсмовибратор типа СВ-5-150, применение которого повышает технологичность вибродиагностики автодорожных мостов, за счет значительного сокращения объемов подготовительных работ. Применение современных информационных технологий управления экспериментом, регистрации и обработки экспериментальных данных по отклику сооружения позволяет получать, в дополнение к вышеуказанным, амплитудо-фазо-частотные характеристики (АФЧХ) динамических прогибов в ключевых точках сооружения, в виде передаточных функций от усилия возбуждения. Это дает возможность проводить количественную оценку и сопоставление результатов с данными расчетной модели сооружения, что позволяет использовать современные методы модального анализа.

2.2. При обеспечении высокой мобильности и оперативности вибродиагностики ее можно эффективно использовать для мониторинга состояния большого числа мостов, входящих в единую инфраструктуру (автодорога федерального подчинения, сеть автодорог субъекта Федерации).

2.2.1. В этом случае на базе сертификационных (первичных) испытаний моста создается система объектно-ориентированных баз данных (ООБД) по каждому сооружению, включающая в себя как традиционные формы отчетных материалов, так и экспериментальные данные сертификационных испытаний, которые объективно определяют состояние моста на момент проведения испытаний (динамический паспорт сооружения).

2.2.2. При проведении повторной экспресс-диагностики моста используется ранее созданная ООБД; при этом время и стоимость проведения работ сокращается примерно в 4 раза. Экспресс-диагностика становится инструментальным средством оценки состояния, фиксирующим любые изменения характеристик сооружения, что снижает влияние субъективных факторов.

2.2.3. Применение высокотехнологичных методов вибродиагностики (приложение 1) не требует вывода моста из эксплуатации, для проведения нагружения и серии измерений требуется перерыв в движении длительностью 10-15 мин, все остальные подготовительные работы должны проводиться без перерывов автомобильного движения.

2.3. Основой любого метода вибродиагностики является установление связи между динамическими параметрами сооружения и его остаточной несущей способностью (приложение 2). При возникновении повреждений конструкций, вследствие снижения жесткости отдельных элементов, происходит перераспределение внутренних усилий, в результате чего меняется матрица жесткости основных элементов сооружения; снижаются частоты и увеличиваются амплитуды их собственных и вынужденных колебаний. Анализ этих явлений возможен на базе установления взаимосвязи между вынуждающей силой и возникающими колебаниями, что известно, как анализ мод (модальный анализ). Наиболее полным результатом такого исследования является матрица передаточных функций сооружения в виде амплитудо-фазо-частотных характеристик (АФЧХ) динамических прогибов для ключевых точек сооружения (приложение 4). Колебания конструкций сооружения, в общем случае, являются демпфированными. Демпфирование колебаний в конструкции тем значительнее, чем больше оно связано с диссипацией (рассеиванием) энергии. Оценка демпфирующих свойств (коэффициента демпфирования), производимая по параметрам резонансного пика, также позволяет определять степень влияния накопленных дефектов на остаточную несущую способность сооружения. Оценка экспериментальных данных и вывод о состоянии моста производится:

- по результатам предшествующих испытаний одного и того же объекта (экспресс-диагностика);

- по статистическим параметрам отклика аналогичных сооружений;

- по параметрам отклика калиброванной (адаптированной по экспериментальным данным) математической модели сооружения, что дает наиболее точный результат (приложение 6).

2.4. В общем случае все технологические процедуры вибродиагностики должны осуществляться в три этапа, первые два из которых осуществляются в полевых условиях, а третий этап на стадии камеральной обработки результатов (приложение 2):

2.4.1. Возбуждение колебаний и регистрация сигналов отклика конструкций. Получение в реальном времени результатов инструментальных измерений, необходимых для последующего анализа колебаний. Как правило, этими результатами являются амплитудо-фазо-частотные характеристики динамических прогибов для информационно-значимых точек конструкции. Передаточные функции отклика конструкций на гармоническое воздействие могут быть получены следующим образом:

- измеряются и регистрируются входной сигнал и сигнал-отклик;

- проводится Фурье-анализ сигналов;

- в частотной области, в комплексном виде, определяется отношение сигналов отклика конструкции к входному силовому воздействию.

2.4.2. 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.

2.4.3. Оценка состояния конструкции. Обобщение экспериментальных данных, сравнение их с эталонными (расчетными или статистическими) данными. Определение общего состояния и оценка работоспособности конструкции.