ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ВЕРИФИКАЦИЯ ЧАСТОТНОГО МЕТОДА ОЦЕНКИ ОСЕВОЙ НАГРУЗКИ И НЕСОВЕРШЕНСТВА ГРАНИЧНЫХ УСЛОВИЙ В АРМАТУРНЫХ СТЕРЖНЯХ

Аннотация


Оценка усилий и жёсткости соединений имеет принципиальное значение для контроля стержневых элементов креплений кровли шахт, мостов, сетчатых оболочек и других конструкций. Существующие методы оценки подразделяются на статические и динамические. В работе рассмотрена методика динамической оценки продольного усилия и коэффициентов угловой жёсткости заделки неидеально закреплённого стержня по спектру его изгибных колебаний путём сравнения экспериментально зарегистрированных частот колебаний с теоретическим спектром частот, сгенерированных на основе аналитической модели балки Тимошенко. Для согласования результатов по теоретической модели с набором экспериментальных частот используется сочетание известных алгоритмов оптимизации на основе глобального поиска и локальных минимумов. Такой подход активно применяется, в частности, для анализа условий работы стяжных стержней в исторических каменных конструкциях. В данной работе проведена экспериментальная верификация динамической методики на стержневых моделях с известными значениями продольного усилия и угловой жёсткости заделки. Для этого в качестве модельных образцов рассмотрены две балки. В одной из них при растяжении в испытательной машине создавались заданные продольные усилия. Другая балка имела вид консоли с торцевым резьбовым креплением, по степени затяжки которого, контролируемой по статическому прогибу консоли, определялся коэффициент угловой жёсткости крепления. В результате, в зависимости от параметров балки, определено минимальное количество регистрируемых собственных частот её колебаний, необходимое для динамической оценки продольного усилия с приемлемой погрешностью. Также показана зависимость критической частоты балки Тимошенко от внутреннего силового фактора – растягивающей силы.

Полный текст

Оценка усилий и жесткостей соединений имеет существенное значение при определении остаточного ресурса железобетонных конструкций мостов, предварительно напряженных арматурными стержнями и канатами, анкерного крепления кровли подземных горных выработок, стяжных стержней, обеспечивающих целостность конструкций исторических зданий, и в других конструкциях. В литературе описан ряд методов оценки осевой нагрузки и качества заделки стержней [1-18]. Они могут быть сгруппированы по статическому и динамическому признакам исходя из характера лежащих в их основе механических взаимосвязей и последующих измерений. Статические методы требуют измерения деформации под действием статической силы для оценки осевой нагрузки в стержне [1-6]. Один из них основан на определении усилия вытягивания анкера [3]. Этот метод применительно к горным выработкам является трудоемким и небезопасным для персонала. Чаще проводятся испытания на изгиб под действием заданной поперечной силы [1,4,5]. С точки зрения эксплуатации, недостатками статических методов являются: необходимость подвешивать к стержневым элементам значительный вес, трудности измерения малых деформаций или перемещений с необходимой точностью [5] и, в целом, время и оказываемое влияние на работу конструкции. Динамические методы, с другой стороны, требуют идентификации вибрационных характеристик стержня, либо только по собственным частотам, либо по частотам вместе с соответствующими собственными формами. Наиболее распространенный, частотный метод основан на зависимости между напряжением в арматуре и частотой ее собственных поперечных колебаний, которые устанавливаются в натянутой арматуре через определенное время после выведения ее из состояния равновесия ударом или каким-либо другим воздействием. Качество заделки стержневых элементов оценивается также по уровню добротности послеударных затухающих колебаний [3]. Ввиду важности определения продольных усилий в арматуре, статические и динамические методы стандартизованы [6], выпущены приборы, реализующие эти методы. В последнее время в литературе появляется все больше исследований, посвященных развитию динамических подходов к определению продольных усилий в стяжных стержнях не только по одной, но и по нескольким характерным собственным частотам [7-17]; некоторые из подходов требуют определения модальных форм [12-15]; для этого, в частности, используются дополнительные массы, сравнение с результатами МКЭ и оптимизация на основе генетических алгоритмов [7]. Актуальным вопросом является влияние граничных условий на концах стяжных стержней на динамические характеристики, в том числе, - на частоты свободных колебаний. В этом плане рассматриваются заделки не только в виде пружинных шарниров с неизвестными линейными и угловыми жесткостями [7-18], но и как Винклеровские основания с неизвестными коэффициентами постели [9, 10]. Перечисленные и ряд других работ посвящены, как правило, анализу измерений на реальных объектах со стяжными стержнями, имеющими многократное превышение свободной длины по сравнению с габаритами поперечного сечения. Естественной моделью для описания изгиба и поперечных колебаний таких стержней является модель Эйлера-Бернулли. В настоящей работе использована более общая модель колебаний стержня на основе балки Тимошенко, которая подходит для стяжных стержней с более широким диапазоном отношения длины к габаритам поперечного сечения. При определении осевой нагрузки и коэффициентов жесткости заделки стержня использовался, как и в [17,19], алгоритм basin-hopping —стохастический алгоритм, с помощью которого находится глобальный минимум гладкой скалярной функции одной или нескольких переменных. Проведена экспериментальная верификация динамической методики на стержневых моделях с известными значениями продольного усилия и угловой жёсткости заделки. Для этого в качестве модельных образцов рассмотрены две балки. В одной из них при растяжении в испытательной машине создавались заданные продольные усилия. Другая балка имела вид консоли с торцевым резьбовым креплением, по степени затяжки которого, контролируемой по статическому прогибу свободного конца консоли, определялся коэффициент угловой жёсткости крепления.

Об авторах

А. А Азаров

Московский государственный строительный университет, Москва, Российская Федерация

А. Л Попов

Московский государственный строительный университет, Москва, Российская Федерация; Институт проблем механики им. А. Ю. Ишлинского РАН, Москва, Российская Федерация

Список литературы

  1. Крутиков О.В., Гершуни И.Ш. Определение усилий в канатах пролетного строения Ворошиловского моста в городе Ростов-на-Дону// Институт Гипростроймост. – 2015. – №9. – С.107-111
  2. Устинов К.Б. Об уточнении граничных условий для балочной модели кантилевера атомно-силового микроскопа и их влиянии на интерпретацию результатов измерений // Изв. РАН. МТТ. – 2008. – № 3. – С. 182-188
  3. Вознесенский А.С., Куткин Я.О., Красилов М.Н., Устинов К.Б. О возможности оперативной оценки состояния анкерного крепления и кровли подземных горных выработок акустическими методами // Наукові праці УкрНДМІ НАН України. — 2013. — № 13. — С. 183–196
  4. Briccoli Bati S., Tonietti U. Experimental Methods for Estimating In Situ Tensile Force in Tie-Rods // J. Eng. Mech. – 2001. – Vol. 127. – pp. 1275–1283
  5. Tullini N., Rebecchi G., Laudiero F. Bending Tests to Estimate the Axial Force in Tie-Rods // Mech. Res. Commun. – 2012. – Vol. 44. – pp. 57–64.
  6. ГОСТ 22362-77. Конструкции железобетонные. Методы измерения силы натяжения арматуры
  7. Gentilini C., Marzani A., Mazzotti M. Nondestructive Characterization of Tie-Rods by Means of Dynamic Testing, Added Masses and Genetic Algorithms // J. Sound Vib. – 2013. – Vol. 332. – pp. 76–101
  8. Lagomarsino S., Calderini C. The Dynamical Identification of the Tensile Force in Ancient Tie-Rods // Eng. Struct. – 2005. – Vol. 27. – pp. 846–856
  9. Collini L., Garziera R., Riabova K. Vibration Analysis for Monitoring of Ancient Tie-Rods // Shock Vib. – 2017. – Vol. 2017. – pp. 1-12. https://doi.org/10.1155/2017/759174
  10. Coisson E., Collini L., Ferrari L., Garziera R., Riabova K. Dynamical Assessment of the Work Conditions of Reinforcement Tie-Rods in Historical Masonry Structures // Int. J. Archl. Herit. – 2019. – Vol. 13. – pp. 1–13. doi: 10.1080/15583058.2018.156323
  11. Camassa D., Castellano A., Fraddosio A., Miglionico G., Piccioni M.D. Dynamic Identification of Tensile Force in Tie-Rods by Interferometric Radar Measurements // Appl. Sci. – 2021. – Vol. 11. https://doi.org/10.3390/app1108368
  12. Campagnari S., di Matteo F., Manzoni S., Scaccabarozzi M., Vanali M. Estimation of Axial Load in Tie-Rods Using Experimental and Operational Modal Analysis // J. Vib. Acoust. – 2017. – Vol. 139(4). https://doi.org/10.1115/1.403610
  13. Cescatti E., Da Porto F., Modena C. Axial Force Estimation in Historical Metal Tie-Rods: Methods, Influencing Parameters, and Laboratory Tests // Int. J. Arch. Herit. – 2019. – Vol. 13. – pp. 317–328
  14. Tullini N., Rebecchi G., Laudiero F. Reliability of the Tensile Force Identification in Ancient Tie-Rods Using One Flexural Mode Shape // Int. J. Arch. Herit. – 2019. – Vol. 13. – pp. 402–410
  15. Duvnjak I., Ereiz S., Damjanovi´c D., Bartolac M. Determination of Axial Force in Tie Rods of Historical Buildings Using the Model-Updating Technique // Appl. Sci. – 2020. – Vol. 10. 6036. https://doi.org/10.3390/app1017603
  16. Rainieri C., Aenlle M.L. The influence of parameter estimation error on the accuracy of a vibration based tensile load estimation technique // In Proc. of the ISMA 2016 — Int. Conf. on Noise and Vibration Eng. and USD 2016 — Int. Conf. on Uncertainty in Struct. Dynamics, Leuven, Belgium, 19–21 Sept. – 2016. – pp. 1697–1710
  17. Resta C., Chellini G., De Falco A. Dynamic Assessment of Axial Load in Tie-Rods by Means of Acoustic Measurements // Buildings. –2020. –Vol. 10. 23. https://doi.org/10.3390/buildings1002002
  18. Ахтямова А.А., Ахтямов А.М. Об однозначности идентификации параметров упругого закрепления и сосредоточенного инерционного элемента // Вычисл. мех. сплош. сред. – 2013. – Т. 6, – № 1. – С. 62-69. doi: 10.7242/1999-6691/2013.6.1.8
  19. Doye J.P.K. Structural consequences of the range of the interatomic potential: a menagerie of clusters // J. Chem. Soc., Faraday Trans. – 1997. – Vol. 93. – pp. 4233-4244
  20. Пономарев С.Д., Бидерман В.Л., Лихарев К.К., и др. Расчеты на прочность в машиностроении. Т. 3. М.: Машгиз. 1959. 1118 с
  21. Бидерман В.Л. Теория механических колебаний. М.: Высшая школа. 1980. - 408 с
  22. Сивак М.А., Тимофеев В.С. Построение робастных нейронных сетей с различными функциями потерь // Системы анализа и обработки данных. – 2021. – Т.82, № 2. – С. 67-82. – doi: 10.17212/2782-2001-2021-2-67-8

Статистика

Просмотры

Аннотация - 21

PDF (Russian) - 18

Cited-By


PlumX


© Азаров А.А., Попов А.Л., 2024

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах