16 апреля 2019

Статьи

Оценка состояния пешеходного моста с помощью интерферометрической системы IBIS-FS

Дорожные нагрузки увеличиваются, грузовики становятся больше и тяжелее, и ожидается, что эта тенденция сохранится.  Это может привести к увеличению скорости разрушения конструкции моста. Как таковые, необходимы инновационные методы оценки структурного состояния моста для улучшения управления структурными активами. IBIS-FS — это новое оборудование на основе интерферометрического радиолокатора, разработанное недавно с целью структурной оценки и мониторинга состояния объекта. Он представлен как обладающий уникальными преимуществами по сравнению с традиционными решениями для мониторинга, такими как его портативность и то, что он не требует прямого контакта со структурой. В этом исследовании IBIS-FS используется для обнаружения изменений пешеходного моста с течением времени, из которых можно получить изменение жесткости моста и, следовательно, уровень разрушения конструкции. В частности, основное внимание в данном исследовании уделяется проверке изменений, полученных в результате интерферометрических измерений, с изменениями, определенными более традиционными методами. Было обнаружено, что IBIS способен фиксировать собственные частоты исследуемого моста, демонстрируя его потенциальное использование в структурном мониторинге состояния мостов.

1. Введение

Текущие прогнозы движения тяжелых транспортных средств в Виктории указывают как на увеличение частоты тяжелых транспортных средств, так и на их размер. Общеизвестно, что эксплуатационные качества и безопасность конструкций могут быть нарушены в результате изменений базовых условий, принятых при проектировании конструкций. Возможность оценки моста как по удобству обслуживания, так и по безопасности становится все более важной.

Инспекция мостов считается важным процессом, поскольку она обеспечивает надлежащую структурную целостность мостов, безопасность участников дорожного движения и предоставляет информацию для управления активами. В настоящее время процессы оценки мостов в Австралии для существующих мостов установлены в AS5100.7-2004: Проектирование мостов — рейтинг существующих мостов.

В Виктории большинство мостов находятся в ведении дорожного управления штата, VicRoads. Процедуры проверки состоят из 3 уровней:

• Проверки 1-го уровня используются наряду с текущим техническим обслуживанием. Их цель-проверить общую исправность конструкции.

• Проверки 2-го уровня используются для визуальной оценки состояния конструкций и их компонентов. Эти инспекции являются более целенаправленными и всеобъемлющими, чем инспекции 1-го уровня, имеющие конкретную цель оценки структурного состояния мостов.

• Проверки 3-го уровня проводятся по мере необходимости. Это детальное инженерное исследование, которое может включать полевые исследования с использованием методов неразрушающего контроля и теоретического анализа.

 Как инспекции 1-го уровня, так и инспекции 2-го уровня требуют визуального контроля структурных компонентов. При проведении инспекций в непосредственной близости от транспортных средств для обеспечения безопасности инспекторов потребуется перекрытие полос движения. Этот процесс неудобен и нарушает движение транспорта. Аналогичным образом, некоторые старые структуры не были построены с учетом процедур структурного мониторинга состояния объекта. Примером этого является то, что некоторые устои моста имеют отношение наклона 1:1, теперь считается слишком опасным для перехода. В настоящее время не существует последовательных методов и критериев для инспекций 3-го уровня между австралийскими государствами. Однако инспекции 3-го уровня обычно предполагают использование обычных датчиков контакта как акселерометры для того, чтобы получить динамические характеристики мостов и обнаружить их структурный износ.

 Учитывая большое количество мостов в Викторианской дорожной сети, использование традиционных методов оценки мостов с использованием акселерометров может рассматриваться как неэффективное. Акселерометры должны быть установлены и подключены для получения данных, что может являться трудоемким процессом для большой структуры. Таким образом, необходимы более инновационные и эффективные методы оценки мостов.

Последние достижения в области микроволновой интерферометрии позволили обнаруживать и измерять движение объектов на расстоянии. На рис. 1 показано коммерческое оборудование на основе интерферометрического радара IBIS-FS разработанного компанией IDS, предназначенное для обеспечения высокой точности измерений, быстрой установки, неинвазивного и готового для статического и динамического анализа. Однако для использования таких интерферометрических радиолокационных систем при оценке мостов в Виктории требуется подтверждение этих утверждений. Для проверки способности IBIS-FS улавливать динамические характеристики конструкций были проведены ограниченные исследования, причем большая часть исследований проводилась в итальянских условиях.

Использование динамических характеристик (собственных частот, демпфирования, модовых форм) для обнаружения повреждений в конструкциях является широко изученной темой в области оценки и мониторинга состояния объекта. Это связано с тем, что частотные измерения могут быть получены относительно дешево и являются чувствительными индикаторами структурной целостности, периодические измерения могут использоваться для мониторинга состояния конструкций. Трещина или локализованное повреждение, которое происходит со структурой, приводит к потере жесткости и, в свою очередь, уменьшает собственные частоты и изменяет динамические свойства, такие как режимы вибрации конструкции.

В работе представлено исследование возможностей IBIS измерять собственные частоты мостов. Основное внимание в исследовании уделяется проверке собственных частот, полученных с помощью измерения IBIS, на соответствие обычным измерениям акселерометра. В разделе 2 представлен обзор IBIS-FS. В качестве примера был использован железобетонный пешеходный мост, расположенный в Мельбурне. Описание моста и полевые измерения описаны в разделе 3. Результаты полевых измерений представлены в разделе 4.

 2. Обзор IBIS-FS (Interferometric Radar System)

Интерферометрическая радиолокационная система способна дистанционно измерять смещение нескольких точек на конструкции с точностью до примерно одной сотой миллиметра. Основанный на микроволновой интерферометрии, он позволяет бесконтактное измерение вибрации и смещения. Ранние системы, основанные на этой методике, не имели возможности обнаруживать несколько целей на конструкции. Недавно были сделаны успехи в интерферометрической технологии, позволяющей новым системам контролировать несколько точек на крупных конструкциях. IBIS-FS-интерферометрическая радиолокационная система, использующая микроволновую интерферометрию для измерения смещения объекта путем сравнения разностей фаз электромагнитных сигналов, отраженных объектом в различные моменты времени. Электромагнитные сигналы, отраженные объектом, изменяются по фазе с изменением положения объекта. Принцип интерферометрической методики представлен схематически на рис. 2. Смещение объекта определяется разностью фазовой информации (φ), получаемой радиолокационным датчиком в разное время приема. Радиолокатор развертывает большую полосу пропускания с пачкой монохроматических импульсов, как равномерно, так и с шагом по частоте, чтобы получить разрешение диапазона 0,50 м. Это означает, что любые две точки на конструкции могут быть обнаружены индивидуально, если относительное расстояние между ними больше 0,50 м. Эта область разрешения диапазона также называется ячейка. Рис. 3 демонстрирует эту концепцию, показывая способность радара обнаруживать эхо-сигналы (отклики) от целей, разнесенных по ячейкам. Основные эксплуатационные характеристики IBIS приведены в Таблице 1.

Интерферометрический радар IBIS — FS включает в себя компоненты такие как: ПК с пользовательским интерфейсом, голову радиолокатора с 2-мя антеннами и треногу. Для измерений радиолокационная голова была установлена на штативе и соединена с ПК и зарядным устройством, как схематично показано на рис. 4. Установка для измерений вертикального смещения моста схематически показана на рис. 5. Радиолокатор IBIS — FS направлен к интересующей точке на мосту, и система измеряет смещение частей моста, которые измерены электромагнитным лучом, испущенным антеннами. Система измеряет смещения в направлении просмотра системы (dp). Вертикальное смещение (d) можно найти по следующему выражению:

Поскольку, , где h и r — соответственно вертикальное и радиальное расстояние между модулем датчика и мостом, как показано схематически на рис. 5:

3.   Полевые измерения

3.1 Описание тематического исследования моста.

Для наблюдений был выбран пешеходный мост, построенный в 1976 году (рис. 6). Мост расположен в австралийском университете Мельбурна, соединяя два здания университета над Суонстон-стрит. Длина моста составляет приблизительно 22 м, ширина моста — 2,4 м, а самая высокая точка моста — приблизительно 5,3 м над землей. Мост построен из сборных бетонных балок, поддерживающих бетонную площадку на месте. Балки консольные из двух опор, поддерживающих плавно изогнутый средний пролет. Поручни были спроектированы в виде глубокой ферменной конструкции служащей для увеличения общей жестки моста.

3.2. Настройка полевых измерений и условия загрузки

На мосту были проведены измерения двух типов: 1) интерферометрическим радиолокационным измерением (IBIS-FS); и 2) акселерометрическим измерением. Каждый тип измерения требует своего собственного подхода к настройке и обработке данных. Поскольку ряд акселерометров необходимо будет разместить вдоль длины моста для измерения собственных частот моста, в этом исследовании будет измеряться и сравниваться только основная частота.

Измерения акселерометра были относительно просты в получении, предполагая только размещение акселерометра на самом мосту. Для этой цели использовался трехосевой акселерометр Kionix KXRB5-2050 с полномасштабным диапазоном выходного сигнала +/-2g. Образец частоты для этих измерений был настроен на 128 Гц. Акселерометр был размещен в средней части моста, чтобы получить временную историю вертикальных перемещений в средней части моста и, следовательно, зафиксировать основную частоту моста.

Измерения IBIS-FS производились со стороны Суонстон-стрит. Радар был направлен в интересующую область на мосту (как показано схематично на рис. 5). Информация, связанная с геометрией, такая как длина конструкции, положение устройства относительно измеряемого объекта и угол наблюдения радара, были введены в программное обеспечение для определения местоположения, где обнаруживаются сильные сигналы и могут быть получены измерения. Во время операции радар обнаружил и сохранил историю радиальных перемещений объектов в пределах диапазона. Радиальные смещения были разрешены в вертикальные смещения с помощью уравнения. 1b). Входные геометрические параметры для измерений моста приведены в таблице 2 (для определения параметров см. рис. 5).

 Мост был динамически возбужден путем приложения вертикальной периодической нагрузки в середине пролета моста. Периодическая нагрузка применялась в виде пешеходов, прыгающих вверх и вниз по мосту в середине пролета. Измерения временной истории вертикального смещения были получены после снятия периодической нагрузки, чтобы избежать помех от периодической нагрузки. Испытания и измерения проводились несколько раз для достоверности.

4. Результаты и сравнение

Целью полевых измерений является получение основной частоты моста с использованием IBIS-FS, а также обычных акселерометров. Предполагается, что интерферометрический радар способен генерировать временную историю смещения и впоследствии фиксировать собственные частоты моста. Посредством полевых измерений основную частоту моста оценивали путем анализа временной истории смещения для каждой точки измерения и получения наборов данных временной истории ускорения. В то время как IBIS-FS включает в себя программный пакет, который может создавать частотные спектры для каждой точки измерения, выполнение анализа преобразования Fourier для временной истории ускорения обеспечивает больший контроль над анализируемыми данными, позволяя исключить периоды данных, когда могли происходить помехи. Примером причин помех является возбуждение кабелей трамвайной линии (рис. 6), которые, в свою очередь, затрудняют радиальные измерения, а также движение транспорта и пешеходов. После анализа преобразования Fourier можно построить частотные спектры. Частота, соответствующая пиковым амплитудам спектров, представляет собственную частоту моста. Графические этапы, используемые для получения частотных спектров, последовательно обозначены на рис. 7-10. Аналогично, основная частота моста также может быть получена из временной истории ускорения, измеренной акселерометром.

Основная цель измерений в полевых условиях заключается в создании наборов данных, которые позволяют сравнивать собственные частоты, полученные с использованием обычных измерений акселерометра, с данными, полученными с помощью интерферометрических измерений (IBIS-FS). Это сравнение было выполнено путем наложения частотных спектров из каждого набора данных, чтобы позволить визуальный контроль результатов.

 Результаты анализа данных IBIS-FS представлены на рис. 11 и 12. На рисунках показаны частотные спектры в разных точках измерения (диапазонах измерения) на мосту, указывающие, что основная частота моста составляет 3,8 Гц. Результаты из двух наборов данных, извлеченных из второго измерения, также представлены на рис. 13 и 14 демонстрируют согласованность измеренных данных. Та же основная частота была зафиксирована всеми другими измерениями. Частотные спектры, полученные из измерений акселерометра, представлены на рис. 15-17, указывающие основные частоты между 3,8 Гц и 3,9 Гц.

Собственные частоты, полученные с помощью анализа преобразования Fourier наборов данных ускорения семилетней истории, четыре из которых были измерены с помощью IBIS-FS, а три — с помощью акселерометра, показывают высокий уровень согласованности. Все семь спектров были построены на графике и показаны на рис. 18, демонстрируя эту последовательность и сходство. Сравнивая собственную частоту наборов данных IBIS-FS с наборами данных акселерометра, наблюдается небольшое стандартное отклонение значений (0,036) и разница между значениями (0,001). Однако эти показатели точности основаны на небольшом размере выборки и требуют большего набора точек данных для проведения более значимого статистического анализа.

5. Заключение

В статье представлено исследование, изучающее способность интерферометрического радара улавливать собственные частоты мостов. В качестве тематического исследования был использован пешеходный бетонный мост, расположенный в Мельбурнском университете, Австралия. Мост был динамически возбужден путем приложения периодической нагрузки в середине пролета моста. IBIS-FS — коммерческий интерферометрический радар, разработанный и продаваемый IDSGeoRadar, использовался для получения данных о временной истории смещения моста. Основная частота моста, полученного с помощью IBIS-FS, сравнивалась с частотой, полученной при более традиционных измерениях ускорения. Сравнение основных частот показывает высокий уровень согласованности между двумя типами измерений.

Результаты исследования демонстрируют потенциальное использование интерферометрической радарной технологии для оценки и мониторинга состояния конструкций. Использование технологии обеспечит значительную экономию времени, особенно когда необходимо оценить большое количество мостов.

Перейти к верхней панели