Домой Точность превыше всего Обзор систем мониторинга балочных мостов центральной части Западного скоростного диаметра в Санкт-Петербурге

Обзор систем мониторинга балочных мостов центральной части Западного скоростного диаметра в Санкт-Петербурге

87
0
Западный скоростной диаметр (ЗСД) в Санкт-Петербурге

Западный скоростной диаметр (ЗСД) в Санкт-ПетербургеЗападный скоростной диаметр (ЗСД) в Санкт-Петербурге является крупнейшей транспортной магистралью, которая напрямую связывает север и юг города. Основная задача строительства ЗСД заключалась в возможности увода транспортных потоков из центра города и существенное сокращение времени при поездах между удаленными друг от друга городскими районами. Значительная часть ЗСД проходит по эстакадам, что, в первую очередь, и определило возможность высокоскоростного движения, связанного с общегородским только с помощью развязок. При проектировании центральной части трассы было принято решение пустить ее большую часть по акватории Финского залива рядом с чертой берега.

Центральная часть ЗСД делится на четвертую и пятую очередь, искусственные сооружения которых представляют собой ряд связанных между собой мостов. Всего на центральном участке шесть мостов, два из них вантовые. У всех этих мостов есть пролеты длиной более, чем сто метров, согласно статьи 48.1 Градостроительного кодекса Российской Федерации они относятся к особо опасным, технически сложным и уникальным объектам и, в соответствии с пунктом 4.9 ГОСТ Р 22.1.12-2005, подлежат оснащению структурированными системами мониторинга. Проектирование центральной части ЗСД проводилось в то время, когда действовало распоряжение Правительства Российской Федерации №1047-р от 21 июня 2010 г., по которому положения ГОСТ Р 22.1.12-2005 были обязательными при новом строительстве.

Исходя из вышесказанного частью проектной документации по центральной части ЗСД был мониторинг конструкций. В нашей статье будет проведен обзор систем мониторинга инженерных конструкций (СМИК) балочных мостов.

западный скоростной диаметр

Проектирование СМИК, как и всей магистрали было двухстадийным. Технические решения по СМИК в проектной и рабочей документации были различными, в ряде случаев существенно. Так происходит по той, в частности, причине, что проектирование любого объекта, в том числе и СМИК, представляет собой достаточно сложный процесс, в котором принимают участие специалисты разных направлений. Естественно, что в составлении документации по СМИК большую роль играют проектировщики основных конструкций и расчетные группы. Очевидно, что обеспечить тотальным стопроцентным контролем все точки конструкции сооружения невозможно, поскольку это приведет, во-первых, к резкому, необоснованному удорожанию СМИК. А, во-вторых, самое главное, что информацию от огромного количества датчиков будет невозможно обработать и интерпретировать.

Разработчики мониторинга совместно с проектировщиками определяют количество датчиков, их номенклатуру и места установки. Такой подход позволяет избежать как избыточности в построении системы, так и, напротив, учесть все точки, требующие контроля. Искусство и профессионализм создателей СМИК заключается в оптимизации системы, которая позволит сделать эксплуатацию максимально безопасной с точки зрения контроля, а с другой стороны не будет содержать лишних, несущественных элементов.

Краткое описание искусственных сооружений центральной части ЗСД

Рассмотрим построение СМИК сооружений центральной части ЗСД, на которых по  их характеристикам обязательно проведение непрерывного мониторинга. К этим сооружениям относятся:

  • Эстакада подхода к мосту через Морской канал;
  • Мост через Морской канал;
  • Мост в устье реки Большая Нева на подходе к Вантовому мосту через Корабельный фарватер со стороны острова Белый;
  • Мост в устье реки Большая Нева на подходе к Вантовому мосту через Корабельный фарватер со стороны Васильевского острова;
  • Мост в устье рек Средняя Невка и Большая Невка.

Конструктивно эти сооружения отличаются друг от друга, чем и вызван интерес с точки зрения проектирования мониторинга. Установка СМИК в соответствии с требованиями нормативных документов проводилась на пролеты длиной более 100 метров.

Эстакада подхода и мост через Морской канал представляют собой стальные фермы с параллельными поясами, крестообразной системой раскосов и ортотропной плитой проезжей части по верхнему и нижнему поясам. Другими словами двухярусная ферма с проездом по обоим ярусам.

Мосты в устье реки Большая Нева на подходах к Вантовому мосту через Корабельный фарватер сконструированы в виде балочной неразрезной системы. Для пролетов длиной более 100 метров принято единое для обоих направлений металлическое пролетное строение с железобетонной плитой проезжей части. Поперечное сечение формируется главными балками, запроектированными в виде коробчатых конструкций переменной высоты.

В отличие от подходов к мосту через Корабельный фарватер для моста в устье рек Средняя Невка и Большая Невка были спроектированы два пролетных строения левого и правого направления с различными пролетными схемами.

Проектные решения по мониторингу строительных конструкций

Прежде чем мы начнем непосредственно говорить о схемах установки датчиков, следует предварительно напомнить, чем руководствуются проектировщики при определении мест этой установки. Мониторингу подлежат конструктивные элементы сооружения с наибольшей нагрузкой и изменениями состояния. Для тензометрии это будут точки с максимальной деформацией. Для пролетных строений — это места опирания и середины пролетов (в ряде случаев вместо середин могу быть трети). В местах опирания мы имеем максимальную деформацию растяжения в верхнем поясе и максимальную деформацию сжатия в нижнем. В серединах пролетов, соответственно, наоборот. Для инклинометрии — точки с максимальными уклонами или изгибами, каковыми в мостах являются опоры.

При проектирования СМИК в первую очередь определяются параметры конструкции, которые должны контролироваться:

  • Напряженно-деформированное состояние;
  • Уклоны конструктивных элементов;
  • Колебания конструкций, в частности, параметры собственных колебаний.

Основываясь на данных положениях предлагается следующая структура построения СМИК.

Методически и аппаратно СМИК состоит из трёх измерительных подсистем:

  • Подсистема измерения деформаций пролетных строений;
  • Подсистема измерения кренов опор;
  • Подсистема идентификации собственных частот и вибраций конструкции.

Рассмотрим кратко построение каждой из этих подсистем.

Измерение деформаций пролетных строений подходов к мосту через Корабельный фарватер и моста в устье рек Средняя Невка и Большая Невка

Диагностика напряженно-деформированного состояния. В местах опирания и в серединах пролетных строений (рис. 1) устанавливаются контрольные точки определения напряжений (деформаций). Места опирания, так же как и середины пролетов, являются наиболее нагруженными элементами и, соответственно, максимально подверженными деформации. Первоначально в каждой контрольной точке были запроектировано установка датчиков в верхнем и нижнем поясах для определения деформации расширения и сжатия. Однако, по требованию заказчика из финансовых соображений количество датчиков уменьшили вдвое, оставив только контроль деформации расширения в верхнем поясе в местах опирания и в нижнем поясе в серединах пролетов.

Примечание. На всех рисунках: красные круги — места установки тензодатчиков, зеленые круги — места установки двухосевых инклинометров ИН-Д3, синие треугольники — места установки акселерометров.

1

Рис. 1. Места установки датчиков мониторинга на пролетных строениях и опорах подходов к мосту через Корабельный фарватер (фасад).

Датчики расположены в каждой главной балке в углах сечений (рис. 2 и 3).

2

Рис. 2а. Места установки датчиков мониторинга на пролетных строениях и опорах в местах опирания подходов к мосту через Корабельный фарватер (разрез).

3

Рис. 2б. Места установки датчиков мониторинга на пролетных строениях и опорах в серединах пролетов подходов к мосту через Корабельный фарватер (разрез).

4

Рис. 3. Места установки датчиков мониторинга на пролетных строениях и опорах в серединах пролетов (сверху) и в местах опирания (снизу) моста в устье рек Средняя Невка и Большая Невка.

Измерение деформаций пролетных строений подхода и моста через Морской канал

Основные проектные решения по мониторингу моста через Морской канал предусматривали построение СМИК аналогично пролетным строениям подходов к мосту  через Корабельный фарватер и моста в устье рек Средняя Невка и Большая Невка. Однако, расчетные данные показали, что конструкция фермы имеет очень большую жесткость, и контролировать деформации в стандартных местах в данном случае нецелесообразно. Тем не менее, тот расчет обнаружил элементы конструкции с очень большой нагрузкой. Это были раскосы у мест опирания, на которые было решено было установить датчики (рис. 4).

5

Рисунок 4. Места установки датчиков мониторинга на пролетных строениях моста через Морской канал (фасад).

Тензометрические датчики устанавливались с обеих сторон фермы в четвертях раскосов (рис. 5).

6

Рисунок 5. Места установки датчиков мониторинга на пролетных строениях моста через Морской канал (разрез).

Статическая диагностика опор

На опорах моста устанавливаются двухосевые датчики угла наклона – инклинометры, которые определяют уклоны опор (рис. 1). Были использованы двухосевые инклинометры ИН-Д3 (ЗАО «НТП «Горизонт»). Данная подсистема определяет положение (смещение) опор через уклоны. Сдвиг опор в горизонтальном направлении практически исключен, поэтому их перемещение может носить только характер наклона с неподвижной нижней частью. Датчики мониторинга расположены сверху опор в центре, как показано на рисунках 6 и 7.

7

Рис. 6. Расположение инклинометров на опорах моста в устье рек Средняя Невка и Большая Невка и подходов к мосту через Корабельный фарватер (разрез).

8

Рис. 7 Расположение инклинометров на опорах моста в устье рек Средняя Невка и Большая Невка и подходов к мосту через Корабельный фарватер (план).

Динамическая диагностика пролетов

Динамическая диагностика необходима для регистрации возникающих в конструкциях сооружения колебаний под воздействием различных видов нагрузок (временных, ветровых, сейсмических). Трехосевые акселерометры устанавливаются в серединах пролетов на каждой главной балке моста в устье рек Средняя Невка и Большая Невка и подходов к мосту через Корабельный фарватер рядом с точками контроля деформаций. Как уже было сказано конструкция фермы моста через Морской канал имеет очень большую жесткость, и контролировать колебания пролетов в данном случае нет необходимости.

Элементная база датчиков

Требования заказчика по элементной базе заключались в двух основных требованиях: российское производство и во включении в реестр средств измерений Российской Федерации. Требования вполне разумные и не вызвавшие возражений. Кроме того, при выборе конкретных типов датчиков было необходимо обеспечить баланс стоимости и качества.

Для тензо и виброизмерений были выбраны датчики российского производителя ZETLAB, продукция которого оптимально соответствовала требованиям заказчика.

Инклинометры ZETLAB, произведенные по MEMS-технологии, при всех положительных качествах имеют существенный недостаток — достаточно большой дрейф нуля. Это обстоятельство затрудняет, а в ряде случаев делает невозможным применение MEMS акселерометров, особенно на больших и протяженных объектах. Выбор в данной ситуации пал в сторону инклинометров ИН-Д3, производства ЗАО «НТП «Горизонт», хорошо зарекомендовавших себя на других проектах.

ОСТАВЬТЕ ОТВЕТ

Please enter your comment!
Please enter your name here