Лекция № 10 Динамические испытания мостов В процессе

1
Лекция № 10
Динамические испытания мостов
В процессе эксплуатации мосты испытывают, помимо статических, и динамические нагружения, возникающие благодаря колебательным процессам, происходящим в элементах конструкций моста, причем наибольшие динамические воздействия испытывают пролетные строения.
Согласно, СП 79.13330.2012 динамические испытания проводятся с целью:
1. Выявления величин динамических воздействий, создаваемых реальными
подвижными нагрузками.
2. Определения основных динамических характеристик сооружения – частот и форм собственных колебаний, динамической жесткости сооружения, характеристик затухания собственных колебаний.
Динамические испытания мостов проводятся одновременно со статическими испытаниями.
Колебания мостовых сооружений вызываются движущейся нагрузкой, порывами ветра, ударами плывущих льдин, навалом судов на опоры мостов, сейсмическими воздействиями и др.
Колебаниями называются движения, обладающие той или иной степенью
повторяемости во времени.
При всем многообразии воздействия на мост, основными колебаниями являются вертикальные и горизонтальные, соответственно элементы моста колеблются в вертикальной и горизонтальной плоскостях.
В автодорожных мостах обычно ограничиваются изучением вертикальных
колебаний, которые напрямую связаны с прогибом пролетного строения моста.
Горизонтальные колебания опасны для мостов с относительно малой шириной и
высокими узкими опорами вследствие чего обладающие недостаточной горизонтальной жесткостью.
С точки зрения связи между колебаниями и вызывающими их динамическими воздействиями различают:
2
Собственные (свободные) колебания – колебания, которые совершает мостовая конструкция после того, как она была выведена из состояния равновесия и
предоставлена сама себе без приложения каких-либо новых внешних воздействий.
В чистом виде собственные колебания характерны, когда пролетное строение работает, в режиме свободной вибрации, т.е. после схода временной нагрузки с его
поверхности, а также после воздействия на него ударом. Значения амплитуды и
частоты собственных колебаний характеризует индивидуальные особенности
конструкции мостового сооружения.
Вынужденные колебания – колебания, возникающие при движении по пролетному строению временной нагрузки.
Для автодорожных мостов характерны сложные (политональные) колебания, которые являются результатом одновременного возникновения нескольких
простых колебаний, различных по периоду и амплитуде, в виде сложения вынужденных колебаний с собственными колебаниями моста.
Динамическая работа мостовой конструкции с точки зрения динамических
деформаций характеризуется тремя стадиями:
1. Возрастающие колебания с постепенно нарастающей амплитудой;
2. Колебания с постоянной амплитудой;
3. Затухающие колебания с постепенно убывающей амплитудой.
Графически колебательный процесс отображается в виде прогибовиброграмм, как зависимость амплитуды колебания от времени. Прогибовиброграммы
записываются во время проведения динамических испытаний мостов.
Динамические испытания мостов, в зависимости от типа и характера применяемой при испытании динамической нагрузки, могут быть разделены на следующие основные виды:
1. Ударные нагрузки.
2. Вибрационные нагрузки.
3. Испытания движущейся временной нагрузкой.
1. Изучение динамического эффекта ударной нагрузки является исследование моста при действии на него удара, осуществляемого путем сбрасывания на
3
него груза массой 0,1 % от массы испытываемой мостовой конструкции с высоты
2,0–2,5 м на песчаную подушку толщиной 20 см. Изучение эффекта, вызванного
ударом, и последующих свободных колебаний моста дает возможность просто и
надежно установить важные динамические характеристики, какими являются период собственных колебаний и законы затухания этих колебаний.
2. При вибрационном испытании моста используют специальную вибрационную машину, которая передает испытываемому сооружению периодическое
или ритмическое силовое воздействие. Вибрационные испытания позволяют оценивать выносливость конструкции и искусственно приблизиться к резонансу. Резонанс – это явление, когда при совпадении частот собственных и вынужденных
колебаний происходит многократное увеличение их амплитуды.
3. Самым распространенным видом динамической нагрузки при проведении
динамических испытаний является временная нагрузка в виде автомобильного
транспорта, что соответствует реальному режиму эксплуатации мостов. Временная
нагрузка должна быть тяжелой и реально обращаемой для данного моста. В ходе
испытаний временная нагрузка движется как одиночным порядком, так и колонной
с разными скоростями, характерными для движущегося транспортного потока в
режиме эксплуатации данного моста. Число заездов не менее 10. Для усиления динамического воздействия на мост на пути подвижной нагрузки создается порожек в
виде доски толщиной 5–7 см для имитации неровности проезжей части.
Для правильной оценки значений частот собственных и вынужденных колебаний необходимо обрабатывать участки прогибовиброграмм при определенном расположении временной нагрузки на пролетном строении с помощью метода спектра частот.
Спектр частот – это совокупность частот простых колебаний, полученные
при разложении сложного колебания методом дискретного преобразования Фурье. Спектр частот представляется в виде графика: по оси Y – амплитуда, по оси
Х – частота (Гц).
По методу спектра частот виброграмма анализируется на трех участках.
4
I участок – автомобиль движется по первой половине пролета – преобладают вынужденные колебания.
II участок – автомобиль движется по второй половине пролета – смешанный
процесс, пролетное строение колеблется на собственной и вынужденных частотах.
III участок – автомобиль сошел с исследуемого пролета, режим свободных
колебаний.
Также определяются характеристики затухания свободных колебаний:
А0
Амплитуда, отн.ед.
100
50
Аi
0
-50
-100
3,4
3,5
3,6
3,7
Время, с
1. Коэффициент затухания:  
  t  
1
ln  0  .
ti  t0   ti  
2. Логарифмический декремент затухания:   
ti  t 0
.
n
Динамический коэффициент отражает превышение динамического прогиба
над статическим, который на прогибовиброграмме является средней линией.
0,05
Ус
-0,05
Уд
Амплитуда, мм
0,00
-0,10
-0,15
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
Время, с
Динамический коэффициент: 1   
д
.
с
3,5
4,0
4,5
5,0
5
Значения параметров динамической работы мостов по результатам испытаний сравниваются с нормативными и допустимыми значениями.
1) Согласно п.5.48, СП 35.13330.2011 в пролетных строениях значения периодов собственных колебаний не должны быть в интервале 0,45–0,6 с (частота
1,7–2,2 Гц).
Вынужденные колебания моста в основном сосредоточены в двух областях
и соответствуют собственным колебаниям элементов автомобилей:
1. Для надрессоренной части (кузов) 0,3–0,5 с (2–3 Гц).
2. Для подрессоренной части (подвеска) 0,1–0,16 с (6,25–10 Гц).
Значения собственных частот гусеничных нагрузок:
1. Для надрессоренной части период 0,3–0,33 с (частота 3–3,33 Гц).
2. Для подрессоренной части колебания отсутствуют.
Организованная колонна людей вызывает колебания с периодом 0,4–0,7 с
(частота 1,43–2,5 Гц). Неорганизованная толпа людей вызывает колебания с периодом 1,5 с (частота 0,66 Гц).
Нормальной динамической работе моста соответствует допустимый интервал расхождения между значениями частот собственных и вынужденных колебаний более чем на 20 %. Если интервал меньше 20 % то состояние оценивается как
предрезонансное при большой вероятности резонанса.
2) Допустимые интервалы значений характеристик затухания собственных
колебаний:
1. Для железобетонных мостов:  = 0,3–12 1/с;  = 0,08–0,45.
2. Для сталежелезобетонных мостов:  = 0,1–0,3 1/с;  = 0,02–0,07.
3. Для деревянных мостов:  = 0,8–3,0 1/с;  = 0,2–0,6.
3)
Нормативные
значения
динамического
коэффициента
СП 35.13330.2011) принимаются равными, для поточной нагрузки:
1. Для сталежелезобетонных мостов 1    1,4 ;
2. Для железобетонных мостов 1    1,3 .
(п.
6.22,