СИСТЕМА МОНИТОРИНГА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ МОСТОВ

Monitoring system of bridge technical condition

Приведено описание преимуществ внедрения системы мониторинга для контроля технического состояния мостов.

The paper describes the advantages of the monitoring system introduction to monitor technical condition of the bridges.

Ключевые слова: система мониторинга мостов, оценка технического состояния мостов, расчет напряжений в мостовых конструкциях. 

Key words: monitoring system of bridges, evaluation of bridge technical condition, stress analysis of bridge structure.

Введение

Мостовые конструкции (далее мост) – это инженерные сооружения, имеющие повышенную значимость и работающие в сложном напряженно-деформированном состоянии.

В процессе эксплуатации на мост действуют различные повреждающие факторы, такие как:
- коррозионные процессы, протекающие, как правило, в труднодоступных местах и со временем приводящие к снижению несущей способности элементов конструкции;
- непроектные нагрузки, способные привести к необратимым пластическим деформациям и, как следствие, изменению проектного положения элементов конструкции;
- возникновение и развитие дефектов, которые способны привести к существенному снижению прочности элементов конструкции.

Такие воздействия внешних факторов приводят к постепенному износу элементов конструкции моста, что может вызвать преждевременное его разрушение. Как следствие – человеческие жертвы и значительные финансовые затраты на восстановление. Для предотвращения таких аварий необходим контроль технического состояния моста.

На сегодняшний день распространенным решением данной задачи является техническое обследование элементов конструкции моста для чего периодически проводятся геодезические измерения и неразрушающий контроль различными методами. Однако такой периодический контроль не может учесть фактическую историю действия нагрузок (период и амплитуду), которая является одним из основных критериев для определения остаточного ресурса.

Поэтому для достоверной оценки текущего и прогнозирования дальнейшего технического состояния моста, с целью заблаговременного предупреждения о тенденциях его изменения, необходима установка постоянно действующей системы, способной не только заменить периодические обследования, но и повысить безопасность эксплуатации, другими словами – необходима установка комплексной системы мониторинга (далее система мониторинга).

Система мониторинга моста должна уметь:
1) обнаруживать дефекты;
2) фиксировать динамику развития дефектов и изменения основных параметров элементов конструкции;
3) осуществлять сбор, хранение и анализ данных;
4) прогнозировать остаточный ресурс.

Согласно [1] систему мониторинга необходимо устанавливать на:
- мосты с большими пролетами (стальные мосты с пролетами длиной более 100 м, железобетонные с пролетами более 80 м), мосты большой высоты (высота опор более 40 м), мосты со сложными конструктивными решениями и особенностями;
- мосты, эксплуатируемые в сложных инженерно-геологических, сейсмических или климатических условиях;
- мосты после строительства, реконструкции, модернизации или ремонта, осуществленных с использованием новых технологий, конструкций и материалов;
- мосты, эксплуатируемые в аварийном состоянии, вызванном чрезвычайными обстоятельствами в период ликвидации аварийных ситуаций;
- мосты, подлежащие ремонту, в случае необходимости установления причин возникновения и динамики развития дефектов, разработки прогноза их развития.

Также основанием для установки системы мониторинга может являться:
- отсутствие исполнительной или проектной документации, следствием чего является невозможность проверки соответствия конструкций моста оригинальному проекту, а также проведения анализа принятых в ходе строительства отступлений от проекта;
- наличие трещин и следов механического воздействия на опоры моста;
- наличие отклонений несущих конструкций моста от вертикали;
- повреждения асфальтового покрытия моста в виде поперечных трещин, свидетельствующие о большой амплитуде вертикальных колебаний пролетных строений моста;
- наличие судоходной части русла реки, повышающее риск аварийных воздействий природного и техногенного характера на конструкции моста.

Пример внедрения системы мониторинга

Одним из примеров внедрения системы мониторинга ГК «ИНТЕРЮНИС» на мостовых конструкциях является система на мосту через реку Белая, расположенного на автомобильной дороге "Западный обход г. Уфы" и построенного в 2000 году (рис.1). Мост выполнен по индивидуальной проектировке: является металлическим, балочным, неразрезным, имеет длину около 720 м, установлен на 8 опорах, состоит из 69 секций.

 

Общий вид моста
Рис.1. Общий вид моста

 

Основной причиной необходимости установки системы мониторинга на данном объекте было выявление просадки опор по результатам проведенного технического обследования и, как следствие, значительное отклонение геодезической кривой пролетного строения от сдаточной. Так, например, первая опора просела на 120 мм относительно проектного положения (рис.2). Стоит отметить, что наличие судоходного русла реки также повышает риск аварийных воздействий на конструкцию моста. Данные факты ставили под сомнение возможность его безопасной эксплуатации.

 

Кривые пролетного строения моста
Рис.2. Кривые пролетного строения

 

Перед установкой системы мониторинга предварительно необходимо определить наиболее опасные зоны объекта, выбрать места установки датчиков, а также назначить датчикам индикаторные интервалы, характеризующие возможность достижения предельных состояний. Для решения этих задач, а также определения фактической несущей способности моста было проведено его компьютерное моделирование.

Компьютерное моделирование [3]

Первоначально, в системе трехмерного твердотельного и поверхностного проектирования Autodesk Inventor была создана поверхностная модель моста (рис.3) с учетом имеющейся документации, результатов технического обследования и фактического положения его опор.

Затем поверхностная модель была импортирована в систему конечно-элементного анализа ANSYS, где была создана расчетная модель и проведены расчеты в соответствии с [2].

Общий вид модели с примером одной из секций приведен на рис.3. Стоит отметить, что расчетная модель является подробно детализированной, что позволяет отказаться от упрощенных расчетных схем и учитывать фактические характеристики материала и физические законы, тем самым получая высокую точность расчета. Размерность модели составила 578278 узлов и 604586 элементов.

 

 Общий вид модели моста и пример одной секции
Рис.3. Общий вид модели с граничными условиями и пример одной секции

 

К расчетной модели были приложены следующие расчетные нагрузки: собственный вес G, нормативная нагрузка от автомобилей АК, нормативная нагрузка от нестандартных транспортных средств НК. В соответствии с [2] для расчета моста были приняты схемы нагружения G+AK, G+HK, G+0.75∙HK+0.75∙HK.

Смоделированное действие расчетной нагрузки АК, приложенной к расчетной модели, показано на рис.4.

 

Карта приложения расчетной нагрузи
Рис.4. Карта приложения расчетной нагрузи AK, [Па]

 

Результаты расчетов показали, что в зависимости от схемы нагружения коэффициент запаса по допускаемым напряжениям для максимальных эквивалентных напряжений составляет от 1,00 до 1,47.

Столь невысокая несущая способность моста является следствием просадки опор и изменением его геометрии по причине ненормативных эксплуатационных воздействий.

Индикаторные интервалы

Одним из результатов моделирования являются карты распределения напряжений. Рассмотрим более подробно зону с максимальными напряжениями, а также зоны под опорой и между опорами моста от воздействия нагрузки АК (рис.5).

 

Карты распределения эквивалентных напряжений
Рис.5. Карты распределения эквивалентных напряжений, [Па]

 

По картам распределения напряжений была определена наиболее опасная точка конструкции, расположенная в зоне максимальных напряжений. (рис.6,а). В дальнейшем будем называть такую точку критической.

На примере тензодатчиков рассмотрим основные положения по определению наиболее подходящих мест установки и индикаторных интервалов для датчиков системы монитринга.

Основными критериями наиболее подходящих мест установки являются:
- хороший отклик на внешние воздействие;
- однородность карты распределения напряжений.

Тензодатчики были установлены в места Т1-Т8, которые удовлетворяют вышеперечисленным требованиям (рис.6.б).

 

 Карты распределения эквивалентных и продольных напряжений, [Па]
Рис.6  Карты распределения, [Па]:
а) эквивалентных напряжений; б) продольных напряжений

 

С помощью установленных тензодатчиков становится возможным определять значение напряжения в критической точке. Для этого в показаниях тензодатчика выделим две характерные точки (рис.7,а), значения напряжений в которых определяются следующим образом:
1) желтая – показания датчика при действии расчетных нагрузок;
2) красная – показания датчика при достижении критической точкой допускаемых напряжений.

Введем индикаторные интервалы, ограниченные данными точками и основанные на фактическом техническом состоянии моста. Данные интервалы можно характеризовать следующим образом (рис.7,б):
- зеленый – на мост действуют нагрузки, не превышающие расчетных, а значит состояние допустимо;
- желтый – нагрузки превышают расчетные значения, а значит состояние требует принятия мер;
- красный – в критической точке напряжения превысили допускаемые значения, а значит состояние недопустимо.

 

Характерные точки зависимости Состояние моста
а) характерные точки зависимости б) состояние моста
Рис.7. Определение индикаторных интервалов

 

В качестве примера на рис.8 представлены графики зависимостей от нагрузки G+AK:
- эквивалентных напряжений в зоне максимальных напряжений,
- продольных напряжений в местах установки тензодатчиков между опорами;
- продольных напряжений в местах установки тензодатчиков под опорой.

 

Графики зависимостей показаний датчиков от нагрузки
Рис.8. Графики зависимостей показаний датчиков от нагрузки

 

Как видно из графиков несущая способность моста лишь немного может превышать расчетные нагрузки.

Система мониторинга

Для контроля достижения различных предельных состояний установленная система мониторинга содержит различные типы датчиков.

Преобразователи акустической эмиссии (АЭ) были установлены для регистрации возникновения и развития дефектов, причем широкополосные на металлические конструкции, а низкочастотные на бетонные.

Тензодатчики были установлены в местах с наилучшим откликом на внешние воздействия для контроля максимальных напряжений.

С помощью инклинометров, установленных на опорах, определяются отклонения (углы наклона) конструктивных элементов.

Также на мост были установлены датчики вибрации и температуры, метеостанция и камеры видеоконтроля.

Рассмотрим структурную схему и функциональные элементы (рис.9), применяемые в установленной системе мониторинга:
- диагностические и параметрические датчики–предназначены для сбора первичной информации об объекте;
- многофункциональный модуль сбора и передачи данных (ММСП) – производит оцифровку полученного сигнала от датчика, предварительную обработку и передачу сигнала далее в цифровом виде;
- концентратор– организует измерительные линии. Получает информацию от всех ММСП и направляет ее далее на обработку;
- коммутационный шкаф гальванической развязки (КШГР) – обеспечивает измерительные линии питанием, ретранслирует данные, полученные от концентраторов в центральную вычислительную станцию;
- центральная вычислительная станция (ЦВС)– устройство, обеспечивающее анализ всех полученных данных, их отображение и накопление, и осуществляющее управление промежуточными станциями, концентраторами и исполнительным оборудованием, и синхронизирующее их работу;
- автоматизированное рабочее место (АРМ)– удаленный терминал, используемый для дистанционного доступа к центральной вычислительной станции, обработки данных мониторинга и осуществления резервного копирования информации.

 

Структурная схема
Рис.9. Структурная схема

 

На рис.10. представлены примеры вкладок программного обеспечения системы мониторинга, а также пример реагирования системы при имитации катастрофически активного источника АЭ:
- регистрация сигнала;
- определение местоположения источника;
- индикация степени опасности состояния объекта.

 

Отображение результатов
Рис.10.Отображение результатов 

 

Такие системы мониторинга, предлагаемые ГК «ИНТЕРЮНИС», имеют ряд конкурентных преимуществ, таких как:
оцифровка сигнала – цифровой сигнал имеет высокую помехозащищенность и, как следствие, может передаваться на большие расстояния;
автокалибровка – система автоматически проводит постоянный контроль работоспособности своих датчиков;
доступ ко всем настройкам – заказчик имеет возможность доступа к настройкам для их изменения;
модульность системы – в случае необходимости возможно расширение системы добавлением новых датчиков или даже измерительных линий;
наличие индикаторных интервалов, которые оказывают помощь в принятии решения.

Заключение

Применение системы мониторинга на мосту позволяет оперативно контролировать состояние элементов его конструкции: напряжения в наиболее опасных зонах, а также смещения и прогибы, возникающие в результате влияния интенсивной транспортной нагрузки и внешних природно-климатических воздействий.

Наличие индикаторных интервалов у датчиков позволяет системе мониторинга сигнализировать о достижении напряжениями допускаемых значений, превышение которых может привести к остаточным деформациям и изменению геометрии моста.

Важной функцией системы мониторинга также является мгновенное оповещение сотрудников службы эксплуатации моста и службы быстрого реагирования (ГИБДД, МЧС и др.) о потенциально опасной ситуации в случае превышения допустимых размеров деформаций конструкции. Это увеличивает безопасность движения транспорта по мосту, позволяет избежать тяжелых последствий в случае чрезвычайной ситуации. Анализ потока данных системы мониторинга позволяет увидеть тенденции к возможным предельно-допустимым изменениям конструкции мостового сооружения, своевременно получать информацию и принимать решение о необходимости изменения режима эксплуатации моста или его текущего ремонта. Предупредительные меры позволят экономить средства, не прибегая к капитальной реконструкции сооружения, которая станет необходимой в случае непредсказуемой деформации или разрушения.

В конечном итоге внедрение системы мониторинга позволило отслеживать подробную динамику изменения нагрузок и воздействий, оценивать фактическое техническое состояние и производить расчет остаточного ресурса моста в режиме реального времени, что обеспечило его безопасную эксплуатацию.

Безусловно, эффективность системы тем выше, чем раньше на этапе эксплуатации объекта она была установлена.

Использование систем мониторинга как наиболее эффективный способ профилактики различных «болезней» мостов обеспечивает безопасность и надежность эксплуатации на весь период их долгого 100 - 150 летнего жизненного цикла.

Выводы

Таким образом система мониторинга позволяет:
1) снизить затраты при эксплуатации мостовых конструкций, т.к. после установки системы мониторинга не требуется проведения периодических обследований;
2) повысить условия безопасного движения по мосту, вследствие непрерывного мониторинга и возможности мгновенного оповещения сотрудников службы эксплуатации моста и служб быстрого реагирования о возможном возникновении потенциально опасной ситуации.

Список литературы

1. ОДМ 218.4.002-2008. «Руководство по проведению мониторинга состояния эксплуатируемых мостовых сооружений».

2. ГОСТ Р 52748-2007. «Дороги автомобильные общего пользования. Нормативные нагрузки, расчетные схемы нагружения и габариты приближения».

3. CAE-CUBE: [Электронный ресурс]. URL: http://www.cae-cube.ru/ (дата обращения: 01.06.2015).

 

скачать статью "СИСТЕМА МОНИТОРИНГА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ МОСТОВ"

Добавить комментарий

Защитный код
Обновить