65

Мониторинг технического состояния транспортныхсооружений

УДК 625.745. 11/12:001.891.55

ББК 38.74в6

1. Понятие мониторинга

Термин «мониторинг» имеет английское происхождение «monitoring» и означает постоянное или периодическое наблюдение за каким-либо процессом для выявления его соответствия желаемым параметрам или первоначальным предположениям.

В самом широком, философском понимании, мониторинг – это непрерывный анализ живым субъектом окружающей обстановки с целью выработки системы взаимодействия с ним, обеспечивающей наибольшую безопасность существования данного субъекта.

То есть всю нашу жизнь, жизнь любого существа, растения сопровождает непрерывный мониторинг окружающего мира, осуществляемый с помощью органов чувств или интеллекта.

Примеры:

Дерево, чувствуя температуру и увеличение солнечной радиации, реагирует на это ростом почек и распусканием листвы;

Животные изучают с помощью развитых органов чувств различные следы, запахи, любые изменения вокруг в поисках пищи и с целью обезопасить себя от нападения хищников;

Человек с самого рождения исследует и запоминает все вокруг себя.

В технике для рациональной организации и надежности производственных процессов должен осуществляться мониторинг состояния оборудования, материалов, технологической дисциплины и т.п.

Мониторинг технического состояния сооружений – это осуществляемый по специально разработанным программам в течение длительного срока процесс наблюдений или периодических измерений параметров, характеризующих физическое и напряженно-деформированное состояние конструкций во время строительства или эксплуатации.

2. Мониторинг состояния транспортных сооружений

Термин «мониторинг» применительно к отслеживанию во времени физического и напряженно-деформированного состояния конструкций транспортных сооружений вошел в употребление относительно недавно, хотя на самом деле этот вид натурных исследований имеет достаточно длинную историю.

Вспомним для примера доставивший всем массу хлопот метро-мост через р. Москву в Лужниках. Сразу после окончания строительства в 1958г. в железобетонных элементах этого моста, изготовленных с добавками хлористых солей, проявились признаки коррозии арматуры и разрушения защитного слоя бетона. Лаборатория испытания мостов ЦНИИС, начиная с 1959г. вплоть до завершения реконструкции моста в 2002г. практически непрерывно осуществляла контроль физического состояния балок и опор автопроезда, напряженного состояния арок. За это время трижды проводились испытания конструкций автопроезда. Физическое состояние элементов оценивалось по специально разработанной шкале. По результатам этих исследований проводилось усиление балок и стоек опор и в конце концов было принято решение о начале реконструкции моста.

Мониторинг является весьма дорогим мероприятием, поэтому решение о его проведении и программа должны быть тщательно обоснованы и содержать только самые необходимые моменты.

Мониторинг необходимо организовывать в следующих случаях:

- при строительстве и эксплуатации внеклассных и сложных по конструкции мостов;

- для металлических и железобетонных конструкций, в которых с целью повышения грузоподъемности по первой группе предельных состояний применено их дополнительное предварительное напряжение (регулирование усилий);

- для мостов с внешне статически неопределимыми конструкциями, в которых возможно появление дополнительных усилий и деформаций из-за геологических, гидрологических, оползневых и сейсмических явлений;

- для железобетонных конструкций, в которых возможна большая неопределенность длительных процессов, связанных с ползучестью, усадкой и температурными деформациями (разные возрасты бетона, сочетание сборных и монолитных конструкций и т.п.);

- для транспортных тоннелей в первые два-три года эксплуатации с целью выявления деформаций обделки, пустот в грунте за ней, протечек и других дефектов;

- для транспортных тоннелей в зона повышенной сейсмичности (9 баллов) с целью своевременного выявления недопустимых деформаций обделки;

- при появлении серьезных повреждений в конструкциях транспортных сооружений вплоть до их устранения.

Для вантовых и висячих мостов, а также в других случаях, определяемых в заданиях на проектирование, следует составлять динамический паспорт моста, т.е. ведомость собственных частот колебаний несущих элементов с последующим мониторингом этих характеристик в период эксплуатации.

В общем случае мониторинг включает в себя следующие этапы:

• периодические натурные исследования ( обследования, испытания );

• регулярные инструментальные измерения отдельных физических характеристик (напряжения, усилия в элементах, их прогибы, раскрытие трещин и т.п.) в течение длительного промежутка времени;

• анализ результатов с целью принятия управленческих решений.

Различают два основных вида мониторинга: в процессе строительства и в эксплуатационный период.

При строительстве целью мониторинга является контроль деформаций и напряжений в элементах сооружения в процессе его возведения. Очевидно, что наиболее нагруженные элементы в этом случае могут не совпадать с таковыми в эксплуатационный период. При этом контроль должен осуществляться синхронно с этапами строительства.

Рассмотрим несколько характерных случаев из практики.

В настоящее время при монтаже пролетных строений мостов (рис.2.1) широко используется способ тыловой сборки и продольной надвижки конструкций. В последние годы таким способом были перекрыты пролеты первой очереди мостов через р.Волгу у с.Пристанное и в г. Ярославле, р.Каму в г. Перми и у с.Сорочьи Горы (проектная организация - Гипротрансмост), моста через р.Волгу в г.Кинешме (Гипростроймост), эстакады по Нижегородской улице на 3-м транспортном кольце в г.Москве и при строительстве ряда других сооружений

Во всех перечисленных случаях важнейшей задачей было контролировать деформации моста, и в первую очередь, отклонение верха опор при надвижке. Действительно, увеличение силы трения между пролетным строением и накаточными устройствами вследствие каких-либо непредвиденных обстоятельств чревато повреждением или даже обрушением опоры и пролетного строения. Поэтому основной целью мониторинга было непрерывное отслеживание положения верха опор на этапах надвижки.

Пионерами в контроле за надвижкой пролетных строений стали ученые Саратовского Государственного университета, которые фиксировали величину перемещения опор лазерными датчиками.

Задача, однако, в ряде случаев осложнялась тем, что отсутствовали так называемые «мертвые» точки, относительно которых можно мерить перемещение опор, и применение прямых измерений с помощью лазерных датчиков оказалось невозможным.

Для этих измерений была разработана специальная методика (Институт ИМИДИС), использующая электронные инклинометры, измеряющие угол поворота верха опоры, по которому можно определить горизонтальное смещение ее верха. Опрос инклинометров производится с помощью радиомодулей в реальном масштабе времени (запаздывание не более 1 с), а результаты воспроизводятся на мониторе компьютера и демонстрационном экране в виде гистограмм в сопоставлении с расчетными предельными значениями измеряемых параметров. В качестве предупредительной меры используется принцип «светофора», т.е. если фактическая величина смещения составляет не более 70% от предельного значения, соответствующий столбик гистограммы окрашивается в зеленый цвет, от 70% до 90% – в желтый и свыше 90% – в красный. Предусмотрен также аварийный останов надвижки при достижении предельно допустимых отклонений (рис.2.2).

В нескольких моментах такого рода аварийный останов срабатывал, строители и проектировщики выявляли причины нештатной ситуации (неправильная закладка карточек скольжения, разворот накаточных балок на опоре и др.) и принимали соответствующие меры.

Другая форма мониторинга была применена на уже упомянутых мостах через реки Волгу у с.Пристанное, Каму, а также Обь в г.Сургуте, Иртыш в г.Семипалатинске (Казахстан), Казанку в г. Казани, Неву в г. Санкт-Петербурге и других мостах. На этих мостах обследование смонтированных конструкций, которое выполнялось в рамках приемочных испытаний, начиналось за 3-6 месяцев до завершения строительства. Составляемые ежедневно ведомости дефектов и недоделок незамедлительно передавались строителям, которые своевременно их устраняли. Это обеспечило высокое качество монтажа.

Свои особенности имеет мониторинг при строительстве вантовых мостов.

В статической работе эти особенности связаны с тем, что ванты работают только на растяжение, имеют относительно небольшое сечение. При последовательном монтаже и включении в работу новых вант происходит перераспределение усилий между ними. При этом статическая схема недостаточно хорошо обусловлена, что с учетом возможных даже малых вариаций жесткости различных вант снижает надежность расчета. Поэтому контроль усилий в вантах на всех стадиях монтажа очень полезен и результативен.

Этот контроль может осуществляться двумя способами.

Первый способ заключается в геодезическом контроле продольного профиля балки жесткости. Второй способ предусматривает контроль полных усилий в вантах на стадиях монтажа. Этот способ трудоемок, но обеспечивает более надежные результаты. В принципе возможно рациональное сочетание этих способов: геодезический контроль плюс измерения усилий в части вант. Геодезический контроль может дополняться (или заменяться) измерениями с использованием системы космической связи JPS.

Целесообразен аналогичный подход и к измерениям на пилоне, когда одновременно измеряются отклонения верха пилона и напряжения в нижней его части. Отметим также, что с точки зрения аэродинамики моста важно иметь синхронные непрерывные записи в течение некоторого периода времени (не менее 2 часов) скорости и направления ветра на двух-трех уровнях по высоте и колебания пилона и наиболее натянутых вант. Это полезно и в строительный, и в эксплуатационный периоды для выявления опасности резонансных явлений и принятия необходимых мер защиты (демпферы, обтекатели и т.п.).

Мониторинг эксплуатируемых мостов может иметь другие цели и другой характер, хотя в идеале программы строительного и эксплуатационного мониторинга должны быть взаимоувязаны. Однако, часто мы сталкиваемся с необходимостью мониторинга давно построенных мостов, состояние которых вызывает опасения. В этих условиях, когда неизвестно начальное напряженно-деформированное состояние и предшествующая динамика развития повреждений, результаты мониторинга могут не дать полного представления о состоянии объекта. Тем не менее, с известной долей приближения их можно использовать для принятия решения.

Мониторинг, осуществляемый при строительстве и эксплуатации городских тоннелей и тоннелей метрополитенов, кроме отслеживания состояния собственно тоннельных конструкций, предполагает также контроль воздействий строительных работ и движения транспорта в тоннелях на физическое и техническое состояние промышленных, гражданских объектов и жилых зданий, находящихся вблизи тоннелей. Обычно такие воздействия оцениваются по характеристикам колебаний грунтовых массивов и фундаментов упомянутых зданий и сооружений, измеряемым по аналогии с измерениями параметров сейсмических воздействий.

Таким образом, мониторинг является важным, а в ряде случаев главным этапом натурных исследований, цель которых – оценка технического состояния сооружения. Задачей мониторинга является отслеживание во времени развития негативных факторов, влияющих на те или иные потребительские свойства сооружения, выявление причин появления и тенденций изменения этих факторов, а также степени их опасности для сооружения.

Для составления программы и организации эффективных натурных исследований транспортных сооружений важно иметь четкое представление об их потребительских свойствах и определяющих их факторах.