способ контроля технического состояния пролетных строений
Классы МПК: | G01N29/04 анализ твердых тел G01M7/00 Испытание конструкций или сооружений на вибрацию, на ударные нагрузки |
Автор(ы): | Дегтев Н.И., Кузьмин В.А., Щукина В.Н., Ярных В.А. |
Патентообладатель(и): | Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно- производственное предприятие "Квант" |
Приоритеты: |
подача заявки:
2000-10-30 публикация патента:
20.12.2002 |
Изобретение относится к способам неразрушающего контроля технического состояния пролетных строений. Способ контроля технического состояния пролетного строения (ПС) заключается в воздействии на ПС динамической нагрузкой с широким спектром частот, измерении при этом параметров механической вибрации с помощью акселерометров в контрольных точках ПС, получении параметра диагностического признака и определении положения зоны аномального механического напряжения по изменению этого параметра на основе критерия. Контрольные точки выбирают на ПС попарно симметричными относительно продольной и поперечной осей симметрии ПС, в каждой контрольной точке закрепляют по три угловых акселерометра, измерительные оси которых лежат в трех взаимно-перпендикулярных направлениях. ПС подвергают воздействию симметричной относительно осей ПС динамической нагрузки, измеряют при этом среднеквадратичное значение (с. к.з.) выходного электрического сигнала каждого акселерометра в диапазоне частот 0,1-800 Гц, вычисляют в качестве параметра диагностического признака отношения с. к. з. для каждой пары акселерометров с одинаковой ориентацией измерительных осей в каждой паре контрольных точек, симметричных относительно продольной и поперечной осей ПС, и сравнивают эти отношения с помощью критерия по формуле |1-r|>
, где r - вышеуказанные отношения с.к.з.,
- условное числовое значение, заданное согласно техническим нормам для конкретного типа конструкции ПС и соответствующее аномальному отклонению от симметрии механических напряжений в ПС, причем линия, соединяющая пару симметричных относительно продольной или поперечной оси ПС контрольных точек, для которых значение величины r удовлетворяет данному критерию, указывает на направление положения зоны аномального механического напряжения, а пересечение двух таких линий определяет местоположение этой зоны. Данное изобретение позволяет повысить точность определения местоположения зон аномального механического напряжения в ПС. 2 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2
![способ контроля технического состояния пролетных строений, патент № 2194978](/images/patents/276/2194041/947.gif)
![способ контроля технического состояния пролетных строений, патент № 2194978](/images/patents/276/2194041/947.gif)
Формула изобретения
Способ контроля технического состояния пролетного строения (ПС), включающий воздействие на ПС динамической нагрузки с широким спектром частот, измерение при этом параметров механической вибрации с помощью акселерометров в контрольных точках ПС, получение параметра диагностического признака и определение положения зоны аномального механического напряжения по изменению этого параметра на основе критерия, отличающийся тем, что контрольные точки выбирают на ПС попарно симметричными относительно продольной и поперечной осей симметрии ПС, в каждой контрольной точке закрепляют по три угловых акселерометра, причем измерительную ось одного из них ориентируют параллельно продольной оси ПС, другого - параллельно поперечной оси ПС, а третьего - перпендикулярно измерительным осям первого и второго, ПС подвергают воздействию симметричной относительно осей ПС динамической нагрузки, измеряют при этом среднеквадратичное значение (с. к. з. ) выходного электрического сигнала каждого акселерометра в диапазоне частот 0,1-800 Гц, вычисляют в качестве параметра диагностического признака отношения с. к. з. для каждой пары акселерометров с одинаковой ориентацией измерительных осей в каждой паре контрольных точек, симметричных относительно продольной и поперечной осей ПС, и сравнивают эти отношения с помощью критерия по формуле|1-r|>
![способ контроля технического состояния пролетных строений, патент № 2194978](/images/patents/276/2194041/947.gif)
где r - вышеуказанные отношения с. к. з. ;
![способ контроля технического состояния пролетных строений, патент № 2194978](/images/patents/276/2194041/947.gif)
причем линия, соединяющая пару симметричных относительно продольной или поперечной оси ПС контрольных точек, для которых значение величины r удовлетворяет данному критерию, указывает на направление положения зоны аномального механического напряжения, а пересечение двух таких линий определяет местоположение этой зоны.
Описание изобретения к патенту
Предлагаемое изобретение относится к способам неразрушающего контроля технического состояния пролетных строений (ПС) и может быть использовано для контроля и диагностики других инженерных сооружений и конструкций, таких как каркасы зданий, трубопроводы, заводские трубы, телебашни, суда, летательные аппараты и т.п. Известны различные способы неразрушающего инструментального контроля технического состояния и диагностики повреждений (дефектов) ПС, среди которых большое распространение получили динамические способы, при которых ПС подвергаются различного рода динамическим нагрузкам - одиночным, периодически повторяющимся ударам, синусоидальной или широкополосной вибрации (1-3). При этом, в ПС возбуждаются вынужденные и собственные колебания, параметры которых (частота, амплитуда, фаза) измеряются в фиксированных контрольных точках с помощью первичных измерительных преобразователей какой-либо механической величины (перемещения, скорости, ускорения) в электрическую (заряд, ток, напряжение). Обрабатывая полученную таким образом информацию, получают, так называемый, "динамический портрет" ПС (2), анализируя который на основании какого-либо диагностического признака и критерия, можно выявить зоны аномального поведения элементов конструкции ПС - механические перенапряжения или наоборот ослабления, открытые или скрытые дефекты (трещины, разрывы арматуры, проседания опор и т.д.), а также следить за их развитием во времени. В последние годы среди динамических способов контроля и диагностики ПС получили развитие методы спектрального анализа (1), при которых информация, получаемая с помощью первичных преобразователей, представляется в виде частотных спектров. При этом в качестве диагностического признака используется сдвиг по частоте максимумов в спектре выходного электрического сигнала преобразователя, отвечающих собственным частотам колебаний элементов конструкции ПС, в случае наличия зон аномального механического напряжения (дефекта). Наиболее близким к предлагаемому является способ (5), при котором в процессе динамического воздействия на ПС измеряют параметры крутильных и изгибных вибрационных колебаний несущих элементов конструкции ПС с помощью линейных акселерометров, установленных в контрольных точках ПС, а в качестве диагностического признака использован сдвиг по частоте пиков собственных колебаний ПС, по характеру которого с помощью специально разработанной таблицы значений сдвига судят о месте положения и характере дефекта. Авторы способа (5) признают его ограниченность, вследствие невозможности учесть в предложенной математической модели ПС все разнообразие их конструкций и специфику дефектов. К недостатками указанного способа, наряду с вышеупомянутым, следует отнести, во-первых, использование как диагностического признака сдвига по частоте максимумов (пиков) собственных частот колебаний ПС, что ограничивает применение способа объектами, имеющими ярко выраженные по сравнению с общим фоном спектральные пики (высокую добротность колебаний), в то время как для большинства реальных ПС, например, для железобетонных автодорожных мостов, частотный спектр колебаний представляет собой, по сути, сплошные спектры с размытыми перекрывающимися пиками, по которым сложно судить о сдвиге пиков, особенно если они расположены рядом. Это может привести к неверной интерпретации результатов и снизить точность определения места положения аномальных зон (дефектов). Во-вторых, применение линейных акселерометров для измерения параметров угловой вибрации (крутильных и изгибных колебаний) методически нецелесообразно, поскольку для измерения одной физической величины (углового ускорения) используются измерительные преобразователи другой (линейного ускорения). Это также осложняет интерпретацию результатов, снижает точность измерений и, как следствие, точности локализации в ПС зон аномального механического напряжения особенно на ранней стадии развития дефектов. Вместе с тем, использование интегральных характеристик (в отличие от спектральных - сдвига максимумов по частоте), полученных с помощью угловых акселерометров, имеющих высокую чувствительность во всем диапазоне частот, характерном для вибрации ПС, способствовало бы преодолению указанных недостатков. Целью предлагаемого способа является повышение точности определения места положения зон аномального механического напряжения в ПС. Эта цель достигается тем, что контрольные точки на ПС выбирают попарно симметричными от относительно продольной и поперечной осей симметрии ПС, в каждой контрольной точке закрепляют по три угловых акселерометра, причем измерительную ось одного из них ориентируют параллельно продольной оси ПС, другого - параллельно поперечной оси ПС, третьего - перпендикулярно измерительным осям первого и второго, ПС подвергают воздействию симметричной относительно осей ПС динамической нагрузки, при этом измеряют среднеквадратическое значение (с.к.з.) выходного электрического сигнала каждого акселерометра в диапазоне частот 0,1-800 Гц, вычисляют отношения с.к.з. для каждой пары акселерометров с одинаковой ориентацией измерительных осей в каждой паре контрольных точек, симметричных относительно продольной и поперечной осей ПС, и сравнивают эти отношения с их предельно допустимыми значениями с помощью критерия по формуле |1-r|>![способ контроля технического состояния пролетных строений, патент № 2194978](/images/patents/276/2194041/947.gif)
![способ контроля технического состояния пролетных строений, патент № 2194978](/images/patents/276/2194041/947.gif)
- выбирают положения контрольных точек на поверхности ПС, симметрично относительно его продольной и поперечной осей симметрии; в данном случае - это пересечения балок и диафрагм на периметре ПС;
- в каждой паре контрольных точек, симметричных относительно одной из осей ПС, жестко закрепляют по три угловых акселерометра с взаимно перпендикулярными измерительными осями (после измерений в одной паре контрольных точек проводят измерения в следующей); для этого угловые акселерометры жестко (на винтах) закреплены базовыми плоскостями на гранях кубического кронштейна (при этом их измерительные оси будут взаимно перпендикулярны); поверхность ПС в месте контрольной точки очищают от грязи, на нее наносят тонкий слой горячего гудрона, на который устанавливают кронштейн так, чтобы измерительная ось одного из акселерометров была ориентирована параллельно одной из осей ПС (например, продольной);
- в центре ПС жестко (на гудрон) крепят основание ударного механизма;
- подсоединяют линии связи к авселерометрам и ударному механизму (согласно схемы фиг. 1); включают все приборы и проверяют функционирование схемы;
- производят серию из 50 ударов со скважностью 2 с; при этом производят запись выходных сигналов акселерометров на многоканальный магнитный накопитель (типа FC-4) при контроле сигналов с помощью электронного осциллографа (например, типа С-101). 0бщее управление схемой (подача питания, задание количества и скважности ударов, контроль сигналов с акселерометров и т.д.) осуществляют с помощью специального пульта управления;
- после регистрации сигналов в одной паре контрольных точек повторяют операции для следующей пары симметричных контрольных точек и т.д.;
- после окончания регистрации измеряют с.к.з выходных сигналов пар акселерометров с одинаковой ориентацией измерительных осей (например, параллельных продольной оси симметрии ПС) для каждой пары контрольных точек, симметричных относительно продольной оси ПС; для этой цели используют двухканальный анализатор спектра (например, типа 2034 "ВК"); измерения проводят в диапазоне 0,1-800 Гц;
- вычисляют отношения с.к.з. выходных сигналов указанных пар акселерометров (величину r), результаты заносят в таблицу;
- аналогичные измерения и вычисления проводят для пар акселерометров с другой ориентацией измерительных осей, а также вычисления для пар контрольных точек, симметричных относительно поперечной оси ПС;
- на плане ПС строят векторные диаграммы этих отношений (величины r) для каждой ориентации измерительных осей акселерометров (каждого вида угловых колебаний: крутильных и двух типов изгибных) и для каждой из осей симметрии ПС; при этом начала векторов помещают на оси симметрии ПС в точке пересечения ее с линией, соединяющей пару симметричных контрольных точек, концы векторов направлены на контрольные точки, а длины векторов в соответствующем масштабе равны отношению с.к.з. сигнала акселерометра в контрольной точке к с. к. з. сигнала симметрично расположенного акселерометра, т.е. соответствующему значению r;
- на диаграмме строят линии, параллельные оси симметрии и удаленные от нее на 1+
![способ контроля технического состояния пролетных строений, патент № 2194978](/images/patents/276/2194041/947.gif)
![способ контроля технического состояния пролетных строений, патент № 2194978](/images/patents/276/2194041/947.gif)
![способ контроля технического состояния пролетных строений, патент № 2194978](/images/patents/276/2194041/947.gif)
![способ контроля технического состояния пролетных строений, патент № 2194978](/images/patents/276/2194013/177.gif)
![способ контроля технического состояния пролетных строений, патент № 2194978](/images/patents/276/2194041/947.gif)
- сравнивают векторные диаграммы, построенные относительно обеих осей симметрии ПС; место пересечения линий аномального напряжения на плане ПС указывает место положения аномальной зоны (дефекта). На фиг. 2 приведены векторные диаграммы отношений с.к.з. (r) пар акселерометров с одинаковой ориентацией измерительных осей параллельно продольной оси ПС (крутильные колебания), построенные относительно продольной (X) и соответственно поперечной (Y) осей симметрии ПС. Из фиг.2а следует, что направление зоны аномального механического напряжения находится на линии, соединяющей точки, расположенные между диафрагмой "г" и опорной балкой "д" (
![способ контроля технического состояния пролетных строений, патент № 2194978](/images/patents/276/2194042/948.gif)
![способ контроля технического состояния пролетных строений, патент № 2194978](/images/patents/276/2194042/948.gif)
1. Патент Великобритании 2137347 (National Research Development Corporation). "Ударные испытания конструкций". 2. Kyska. R. -Vech. L. : Automatizacia dynamickych skusok mostov. Inzenyrske stavby, l, 1982, str. 30-33 (P. Кишка, Л. Вех, Исследовательский институт инженерного строительства, г. Братислава. Автоматизация динамических испытаний мостовых конструкций). 3. Bauman К., Drescher J Hochschule fuer Verkehrswesen Friedrich List. Wissenshaftliche Zeitschrift. 1985. Vol. 32, 5, p. 846-853 (Исследования по технической диагностике мостов). 4. Broch J.T.: Mechanical Vibration and Shock Measurements. (Bruel and Kjaer, NAERUM, Denmark, 1984). 5. Nishimura A. , Fudjii M, Migamoto A.: Sensitivity of mecanical of behavior of bridges for their damage assessment (Чувствительность механического поведения мостов при оценке их повреждений), "Добоку гаккай ромбунсю, Proc. Jap. Soc. Civ. Eng.", 1987, 380, р.355-364.
Класс G01N29/04 анализ твердых тел
Класс G01M7/00 Испытание конструкций или сооружений на вибрацию, на ударные нагрузки