Совершенствование методики обследования, испытания и диагностики железобетонных конструкций железнодорожных мостов

Размещено на http://www.allbest.ru/

ГАЖК «УЗБЕКИСТОН ТЕМИР ЙУЛЛАРИ»

ТАШКЕНТСКИЙ ИНСТИТУТ ИНЖЕНЕРОВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

Кафедра «Мосты и тоннели»

ДИССЕРТАЦИЯ

представлена на соискание степени магистра

Специальность:

5А340603 «Эксплуатация мостов и транспортных тоннелей»

Совершенствование методики обследования, испытания и диагностики железобетонных конструкций железнодорожных мостов

Чупонов Жамшид Рахмонкулович

Ташкент 2013

Содержание

Введение

Глава 1. Состояние вопроса, постановка целей и задач исследования

1.1 Существующие методы обследования железобетонных мостов, путепроводов и других искусственных сооружений на железнодорожном транспорте

1.2 Существующие методы испытания и диагностики железобетонных мостов, путепроводов и других искусственных сооружений на железнодорожном транспорте

1.3 Выводы. Цель и задачи исследований

Глава 2. Совершенствование методики обследования железобетонных мостов на железнодорожном транспорте

2.1 Особенности обследования бетонных и железобетонных конструкций мостов

2.1.1 Порядок проведения работ по проведению обследования бетонных и железобетонных конструкций мостов

2.1.2 Параметры сооружений, конструкций, дефектов и повреждений, контролируемых при обследовании бетонных и железобетонных конструкций мостов

2.2 Виды и способы обследований бетонных и железобетонных конструкций мостов

Глава 3. Совершенствование методики испытания и диагностики железобетонных мостов на железнодорожном транспорте

3.1 Совершенствование проектно-технической документации, паспортизации и инвентаризации железобетонных мостов на железнодорожном транспорте

3.2 Приборы и оборудование нового поколения для обследований, испытаний и диагностики железобетонных мостов

3.3 Совершенствование методики испытания железобетонных конструкций мостов

3.4 Совершенствование методики технической диагностики железобетонных конструкций мостов

Выводы по диссертации

Литература

Введение

Актуальность темы. В решении задач технической эксплуатации строительного фонда инженерная оценка технического состояния конструктивных элементов, оборудования и сооружения в целом - диагностика - занимает центральное место. Задача диагностики - изучение и определение признаков и причин повреждений, а также разработка способов и средств их анализа и оценки. Диагностика базируется на учении о физическом износе и коррозии строительных конструкций и основывается на следующих методиках [1-10]

* визуального определения износа по внешним признакам; инструментальной оценки состояния конструкций и зданийс помощью приборов;

* инженерного анализа диагностических данных с целью оценки технического состояния и разработки мероприятий по техническому обслуживанию и ремонту зданий и сооружений.

Для решения этих задач имеется значительный набор инструментальных средств, способствующих объективной оценке состояния отдельных элементов или сооружения в целом работниками эксплуатационных служб. Наличие инструментальных средств диагностики не снижает значимости визуальных методов оценки состояния строительных конструкций по характерным признакам износа, но предъявляет повышенные требования к подготовке работников эксплуатационных служб.

Оценка прочности бетона в железобетонных конструкциях при обследованиях осуществляется механическими методами контроля, к которым относятся метод местных разрушений, метод пластических деформаций и метод упругого отскока. Наряду с механическими испытаниями значительное распространение получил акустический метод неразрушающего контроля, основанный на определении параметров упругих колебаний с помощью ультразвуковой нагрузки с регистрацией эффектов акустоэмиссии [1-4].

Дефекты конструкций являются следствием ошибок или отступлений от правил производства работ при проектировании, изготовлении и монтаже конструкций. Повреждения конструкций, появляющиеся и развивающиеся во время их эксплуатации, являются, как правило, следствием нарушения правил эксплуатации или просчетов при проектировании; их очагами часто являются дефекты изготовления, транспортно-такелажных операций. При длительных сроках эксплуатации (более 30-40 лет) возникает необходимость в проведении обследования зданий и сооружений. Обследование конструкций проводится также в следующих случаях [9-11]:

- при обнаружении в процессе текущих или периодических осмотров существенных дефектов, повреждений, оценки опасности которых не может дать служба технической эксплуатации предприятия;

- при необходимости реконструкции или технического перевооружения, связанных с изменением объемно-планировочного решения сооружения, нагрузок или условий эксплуатации;

- при возникновении аварий на аналогичных сооружениях.

Все эксплуатационные показатели при эксплуатации сооружений являются функцией времени. Время определяет и основные показатели долговечности, а именно: срок службы, ресурсы конструктивных элементов и сооружения в целом до ремонтов и списания.

Целью работы явилось:

1. Особенности обследования бетонных и железобетонных конструкций мостов.

2. Порядок проведения работ по проведению обследования бетонных и железобетонных конструкций мостов.

3. Параметры сооружений, конструкций, дефектов и повреждений, контролируемых при обследовании бетонных и железобетонных конструкций мостов.

4. Виды и способы обследований бетонных и железобетонных конструкций мостов.

5. Совершенствование проектно-технической документации, паспортизации и инвентаризации железобетонных мостов на железнодорожном транспорте.

6. Приборы и оборудование нового поколения для обследований, испытаний и диагностики железобетонных мостов.

7. Совершенствование методики испытания железобетонных конструкций мостов.

8. Совершенствование методики технической диагностики железобетонных конструкций мостов.

Научная новизна работы состоит в получении новых данных по методикам испытания и технической диагностики железобетонных конструкций мостов.

Практическое значение заключается в том, что в результате проведенных исследований будут совершенствованы методики испытания и технической диагностики железобетонных конструкций мостов для обеспечения надежности эксплуатируемых транспортных сооружений.

железобетонный мост транспорт конструкция

Глава 1. Состояние вопроса, постановка целей и задач исследования

1.1 Существующие методы обследования железобетонных мостов, путепроводов и других искусственных сооружений на железнодорожном транспорте

Содержание искусственных сооружений. Основной хозяйственной и производственной единицей, занимающейся непосредственно вопросами содержания искусственных сооружений на железнодорожной линии, является дистанция пути. Комплекс работ на искусственных сооружениях выполняют под руководством начальников дистанций пути и их заместителей, мостовых и дорожных мастеров и бригадиров. На железных дорогах искусственные сооружения находятся в ведении служб пути, в составе которых имеются отделы искусственных сооружений, помогающие осуществлять общее руководство эксплуатацией сооружений в пределах дороги. В системе ГАЖК «Узбекистон темир йуллари» общее руководство эксплуатацией искусственных сооружений на железных дорогах РУз осуществляет Главное управление пути, в составе которого имеется отдел искусственных сооружений. Основные положения по содержанию искусственных сооружений, порядок выполнения работ, а также обязанности линейных работников определены Инструкцией по содержанию искусственных сооружений ЦП 3084. Содержание мостов, тоннелей, труб и других искусственных сооружений должно обеспечивать исправное их состояние для бесперебойного и безопасного движения поездов с установленными скоростями, а также длительный срок службы всех элементов путем выполнения планово-предупредительных ремонтов [1-4].

Содержание искусственных сооружений предусматривает их текущее содержание и капитальный ремонт.

Текущее содержание включает организацию надзора на протяжении всего периода эксплуатации и выполнение определенных работ. За всеми без исключения эксплуатируемыми искусственными сооружениями устанавливают тщательный надзор, включающий [1-4]:

· систематический надзор;

· текущие осмотры;

· периодические осмотры; обследования и испытания;

· специальные наблюдения и осмотры.

Систематический надзор осуществляют обходчики пути и сооружений, бригадиры или монтеры пути. При осмотрах следует обращать особое внимание на состояние пути, отвод воды и пожарную безопасность сооружения. Кроме того, необходимо очищать сооружения и осуществлять по указанию дорожного и мостового мастеров простейшие наблюдения за ними.

Текущие осмотры искусственных сооружений проводят бригадиры пути, дорожные и мостовые мастера в сроки, определяемые Инструкцией по текущему содержанию пути и начальником дистанции пути для каждого сооружения в зависимости от его состояния. Так, исправные металлические, железобетонные, бетонные и каменные мосты и трубы требуется осматривать не реже одного раза в два месяца. На основании текущего осмотра выявляют дефекты, требующие незамедлительного устранения, и определяют объем ремонтных работ. Результаты текущего осмотра сооружения заносят: бригадир пути и дорожный мастер - в книгу проверки пути и стрелочных переводов, а старший дорожный и мостовый мастера - в книгу искусственного сооружения.

Периодические осмотры сооружений производят начальник дистанции пути или его заместитель при участии мостового, старшего дорожного и дорожного мастеров не реже двух раз в год - весной после прохода высокой воды и осенью. Сроки периодических осмотров устанавливает начальник службы пути в зависимости от состояния сооружений. В особых случаях периодические осмотры проводят с участием представителей отдела пути отделения дороги или службы пути управления дороги. При периодических осмотрах проверяют общее состояние искусственного сооружения, качество содержания, а также определяют дефекты и причины их возникновения. Результаты периодических осмотров заносят в книгу искусственного сооружения, а при наличии серьезных неисправностей составляют отчет, направляемый в службу пути. По результатам осмотров и испытаний сооружений составляют отчет, в котором подробно отражают состояние всех элементов, результаты испытаний и измерений, а также дают рекомендации о проведении необходимых работ и определяют режим последующей эксплуатации сооружения (нагрузки, скорость).

К капитальному ремонту относятся работы, направленные на обеспечение длительной эксплуатации сооружения. К ним относятся: полное возобновление окраски и гидроизоляции пролетных строений; сплошная смена элементов мостового полотна; усиление слабых элементов или частей сооружения; устранение негабаритностей; замена пролетных строений; цементация опор и т. п. В силу того, что эти работы значительны по объему и сложности, их выполняют специализированные подразделения. Сроки капитальных ремонтов и объем работ определяют на основании детального обследования сооружения с учетом условий и перспективы эксплуатации. При капитальном ремонте сооружения должны быть выполнены и работы, относящиеся к текущему содержанию. За ремонтными работами, выполняемыми специализированными подразделениями, технический надзор осуществляет мостовой мастер или другое ответственное лицо, назначаемое начальником дистанции или службы пути. Приемку законченных работ производит мостовой мастер или специальная комиссия (в зависимости от характера и объема работ), при этом исполнитель работ должен в обязательном порядке передать представителю дороги соответствующую исполнительную документацию.

Для систематического учета и контроля за состоянием искусственных сооружений предусмотрено ведение специальных карточек и книг с отражением в них основных сведений о сооружениях, данных об осмотрах, наблюдениях и ремонтах. Карточки и книги на искусственные сооружения по установленной форме ведут мостовые мастера.

Обследование зданий и сооружений. При длительных сроках эксплуатации (более 30…40 лет) возникает необходимость в проведении обследования зданий и сооружений. Обследование конструкций проводится также в следующих случаях [9, 20, 22, 24, 25, 29, 39]:

· при обнаружении в процессе текущих или периодических осмотров существенных дефектов, повреждений, оценки, опасности которых не может дать служба технической эксплуатации предприятия;

· при необходимости реконструкции или технического перевооружения, связанных с изменением объемно-планировочного решения сооружения, нагрузок или условий эксплуатации;

· при возникновении аварий на аналогичных сооружениях.

Цели, задачи и методология обследования конструкций и сооружений. Обследование несущих конструкций зданий и сооружений имеет главную цель - определить действительное техническое состояние конструкций, их способность воспринимать действующие в данный период расчетные нагрузки и обеспечивать нормальную эксплуатацию сооружения [1-4, 9, 20, 22, 24, 25, 29, 39].

Целью обследования эксплуатируемых мостов и искусственных сооружений является установление их физического состояния, с тем, чтобы полученные данные в последующем использовать при решении вопросов их дальнейшего содержания. При обследованиях ведут детальный осмотр всех частей сооружения. В тех случаях, когда в этом есть необходимость, осмотр сопровождается инструментальными измерениями с применением различных приборов и аппаратуры. Работы по обследованию обычно выполняют в два этапа. На первом этапе, которому предшествует детальное изучение технической документации, производят общий осмотр. На основании данных общего осмотра выявляют детали и элементы, которые затем подвергают более тщательному осмотру с измерениями приборами и инструментом. Для проверки положения различных частей сооружения в горизонтальной и вертикальной плоскостях производят съемку плана и профиля. Обследование производят по заранее разработанному плану, а его результаты регистрируют в специальных журналах с зарисовками и эскизами. Характерные дефекты рекомендуется фотографировать.

По материалам обследований мостов и труб решают вопросы оценки качества сооружений и пригодности их к дальнейшей эксплуатации, определяют грузоподъемность, разрабатывают рекомендации по ремонту и усилению отдельных частей и т. п. При этом устанавливают и условия эксплуатации. В особо ответственных случаях материалы обследований дополняют испытаниями искусственного сооружения под нагрузкой. Особое внимание при обследовании мостов надлежит уделять оценке состояния мостового полотна.

Методология обследования конструкций и сооружений. Обследование строительных конструкций осуществляется на основе задания и включает в себя следующие этапы [1-4, 9, 20, 22, 24, 25, 29, 39]:

1. Составляется программа обследования с обязательными мероприятиями по технике безопасности при проведении работ.

2. Производится предварительное или общее (рекогносцировочное) обследование с общим визуальным осмотром объекта исследования в натуре, выявлением возможных аварийных участков. Определяются начало и период строительства, предполагаемых изменений в эксплуатации объекта (ремонта, перестройки, перепланировки, возможных аварий).

3. При этом приступают к изучению всей имеющейся по объекту технической документации. При обследовании сооружений, предназначенных к сдаче в эксплуатацию, необходимо ознакомиться с проектной и строительно-монтажной документацией, рабочими чертежами, обращая особое внимание на акты скрытых работ, журналы производства работ, заключения предшествующих обследований, паспортов на оборудование и т. д. При освидетельствовании объектов, находящихся в эксплуатации, дополнительно должны быть изучены акты сдачи в эксплуатацию, паспорта сооружений, журналы эксплуатации, документы о проведенных ремонтах, реконструкциях и другие имеющиеся материалы, характеризующие службу сооружения. Устанавливают соответствие между предъявленной документацией и сооружением в натуре. Выявленные расхождения фиксируются, оцениваются и устанавливаются их причины. В объектах, сданных в эксплуатацию, проверяется устранение недоделок, отмеченных в актах приемки.

4. Изучаются условия эксплуатации объекта или эго элементов или отдельных конструкций, включая температурно-влажностный режим, агрессивность среды, технологию производства. Берут пробы воздуха, пыли, воды и т. д. для химического анализа.

5. Осуществляются инженерно-геологические и гидрогеологические исследования, позволяющие оценить состояние грунтов основания, наличие и агрессивность грунтовых вод. Эти изыскания рекомендуется проводить при отсутствии рабочих чертежей фундаментов сооружений, исполнительных документов об инженерно-геологических условиях площадки строительства либо при расположении объекта на сложных в геологическом отношении основаниях. При этом проводят бурение скважин или отрывают шурфы вблизи фундаментов и проводят лабораторные исследования грунтов.

6. Далее производится обмер конструкций, узлов и элементов с целью проверки соответствия фактических размеров проектным. Устанавливаются генеральные размеры конструкций (пролетов, высот и т. д.), контролируются сечения элементов, от соблюдения которых зависит напряженно-деформированное состояние элементов конструкций в процессе их службы. При наличии рабочих чертежей объекта необходимо дополнительно уточнить в натуре основные геометрические размеры, отметки, прямолинейность путей, расположение, количество и диаметры заклепок, болтов, длины и катеты сварных швов, армирование сечений железобетонных конструкций, наличие связей, габариты опорных столиков, закладных деталей и многое другое, необходимое для проверочных расчетов конструкций.

При отсутствии проектной документации или рабочих чертежей - составляются обмерочные чертежи конструкций, узлов, планов, разрезов, фасадов сооружения, производится их фотографирование.

При составлении обмерочных чертежей уточняют геометрические размеры конструкций с точностью до сантиметра; размеры сечений толщины и длины швов - с точностью до миллиметра. Сечения замеряют в двух-трех местах по длине стержня. В состав обмерочных чертежей должны входить: 1) планы объекта с указанием осей, расстояний между ними, отметок и т. д.; 2) поперечные разрезы с показом основных конструкций сооружения и схематично-технологического оборудования; 3) продольные разрезы (схематично); 4) план фундаментов; 5) схемы расположения опор, стоек, балок и связей; 6) чертежи опор и балок пролетных строений и т. д.; для увеличения точности замеров большеразмерных конструкций пользуются рулеткой.

7. Затем производится детальное обследование элементов объекта с выявлением повреждений конструкций в виде износов, дефектов, нарушений сплошности (отверстия, сколы, раковины и др.), расслоений, увлажнений и замораживания материалов конструкций. Детальный осмотр конструкции следует начинать с наиболее ответственных элементов. Несущие элементы с дефектами условно можно разделить на две группы: 1) элементы, в которых имеют место отклонения, не вызывающие видимых разрушений; 2) элементы с локальными разрушениями. Выявляя в ходе осмотра дефекты первой группы, особое внимание следует обратить на опорные части, заделки и соединения и проверять их состояние и условия работы.

К дефектам второй группы, выявляемым при детальном осмотре, относятся ослабления элементов, вызванные местными разрушениями. Это могут быть срезы болтов, надрезы, сколы, обрывы отдельных элементов конструкций и т. д.; выявляется наличие коррозии, гнили и других повреждений материала, ухудшающих работу конструкций и снижающих несущую способность сооружения.

8. На этапе детальных обследований проводят инженерно-геодезические работы по определению достоверного положения сооружения и его частей (отметки, крены и т. д.), в том числе установление точных геометрических осей конструкций и определение размеров труднодоступных частей сооружения.

9. Оценка качества материалов, примененных в конструкциях, включающая отбор образцов (проб) материала, химический анализ, стандартные испытания образцов, статистическую обработку данных испытаний и выводы о прочности, деформативности и других свойствах бетона, арматуры, кладки, раствора и т. д.

10. Уточняются нагрузки, действующие на конструкции: масса конструкций, временных и подвижных нагрузок, влияние температур, осадков и т. д. Найти действительные нагрузки и возможные их сочетания можно опытным путем и руководствуясь нормами.

11. Обследуя конструкции, необходимо помнить, что при проектировании часто не учитывают действительные условия работы конструкции, так как их учет сопряжен с большими сложностями расчета. Поэтому выявление действительной расчетной схемы сооружения в целом и его отдельных конструкций является весьма важным. Расчетную схему сооружения назначают исходя из конструктивной схемы, стараясь обеспечить, возможно, более полное совпадение расчетных усилий с усилиями, которые будут возникать в натурной конструкции.

12. Проведение проверочных расчетов и контроля состояния узлов, стыков и соединений конструкций с учетом реальных расчетных схем, нагрузок, ослаблений сечений, кривизны элементов и других дефектов конструкций и уточненных расчетных сопротивлений материала конструкций.

13. Испытание конструкций пробной нагрузкой. Проводят редко, только когда неясна работа конструкции из-за недостаточности (неполноты) результатов обследования.

14. Составление заключения о техническом состоянии конструкций или технического паспорта на объект исследования.

15. Разработка рекомендаций по дальнейшей нормальной эксплуатации конструкций и, при необходимости, вариантов усиления конструкций или узлов и сооружения в целом.

По результатам освидетельствования с учетом данных соответствующих перерасчетов дается общая оценка состояния сооружения и, в случае необходимости, решается вопрос о проведении статических и динамических испытаний.

Представленная методика обследования зданий и сооружений может быть сокращена или расширена при обследовании конкретных объектов, с учетом поставленных задач, намеченных сроков и возможностей исполнителей и заказчика. Это учитывается в программе обследования, в которой, кроме указанных этапов, должны быть определены сроки их проведения, конкретные исполнители и др.

1.2 Существующие методы испытания и диагностики железобетонных мостов, путепроводов и других искусственных сооружений на железнодорожном транспорте

Неразрушающие и оптические методы испытаний. Общие сведения. Неразрушающие методы широко используются для контроля и обеспечения качественного технологического процесса в целом ряде отраслей народного хозяйства: металлургии, машиностроении, химической промышленности и т.п. В строительстве неразрушающие методы применяются главным образом для контроля сварных металлоконструкций, при изготовлении железобетонных деталей и элементов и т. д. и при освидетельствовании сооружений. Они являются также весьма перспективными для контроля качества строительных конструкций на заводах (в первую очередь заводах ЖБИ) не только для выявления уже допущенных дефектов и отступления от требований стандартов, но и, прежде всего, для предупреждения самой возможности таких нарушений. По физическим принципам различают следующие основные методы неразрушающих исследований [2, 4, 6, 12-14, 19, 23]:

1) при помощи проникающих сред (жидких, газообразных и др.)

2) механические методы испытаний;

3) акустические (ультразвуковые и более низких частот);

4) магнитные, электромагнитные и электрические;

5) при помощи ионизирующих излучений (рентгеновские, радиоизотопные и др.);

6) радиодефектоскопия и инфракрасная дефектоскопия.

Методы проникающих сред. В резервуарах, газгольдерах, трубопроводах и других аналогичных конструкциях, требующих обеспечения не только прочности, но и плотности соединений, контроль осуществляют с помощью проникающих сред. Кроме применявшихся ранее испытаний водой и керосином, в настоящее время разработаны и другие приемы [2, 4, 6, 12-14, 19, 23].

Испытания водой. Проверяемые емкости заполняются водой до отметки обычно несколько выше эксплуатационной. В закрытых сосудах давление жидкости повышается дополнительным нагнетанием воды или воздуха. Гидростатическим давлением проверяются как плотность, так и прочность соединений и всего сооружения в целом. Контроль швов и соединений заливкой волы совмещается, таким образом, со статическим испытанием исследуемой емкости. Отдельные швы металлоконструкций могут проверяться сильной струёй воды из брандспойта, направленной под давлением примерно 1 атм нормально к поверхности шва. При наличии дефектов вода просачивается сквозь неплотности проверяемого соединения.

Проба керосином. Благодаря своей малой вязкости и незначительному, по сравнению с водой, поверхностному натяжению керосин легко проникает через самые малые поры и выступает на противоположной поверхности. При опробовании поверхность шва с одной стороны обильно смачивается или опрыскивается керосином. Для облегчения наблюдений шов заранее подбеливается водным раствором мела. На этом подсохшем светлом фоне отчетливо выявляются затем ржавые пятна и полосы, возникающие при просачивании керосина [2, 4, 6, 12-14, 19, 23].

Проба сжатым воздухом. При наиболее простом применении данного метода проверяемые швы обмазываются мыльной водой. С другой стороны, шов обдувается сжатым воздухом, подаваемым из шланга под давлением порядка 4 атм нормально к исследуемому шву. В замкнутые емкости сжатый воздух подается внутрь их объема. Признаком дефектности шва служит появление мыльных пузырей на обмазке. Более совершенным является применение ультразвуковых "течеискателей", принцип работы которых основан на регистрации ультразвуковых колебаний, возникающих в местах нарушения сплошности, под действием вытекающей здесь под давлением струи газа (воздуха). С помощью течеискателей можно выявлять неплотности размером до 0,1 мм при избыточном давлении порядка 0,4 атм. Место нахождения дефекта определяется с точностью до 1,5…2 см [2, 4, 6, 12-14, 19, 23].

Проба вакуумом. Проверка вакуумом требует доступа к конструкции лишь с одной ее стороны, что является существенным преимуществом данного метода. К шву приставляется металлическая кассета в виде плоской коробки без дна с прозрачным верхом, через который виден проверяемый шов. Вакуум-насосом со шлангом, присоединенным к кассете, в которой создается небольшое разрежение, внешним воздушным давлением стенки кассеты, снабженные по их нижнему периметру мягкой резиновой прокладкой, прижимаются при этом к конструкции. Исследуемый шов предварительно должен быть смочен мыльным раствором [2, 4, 6, 12-14, 19, 23].

Механические методы испытаний материалов. При испытаниях металла широко применяются так называемые "пробы на твердость". К ним относятся испытания путем вдавливания в поверхность металла стального шарика или алмаза (по Бринеллю, Роквеллу, Виккерсу и т.д.), измерения по упругому отскоку падающего шарика (испытания по Шору) и др. Благодаря своей простоте, удобству и возможности быстрой проверки состояния материала в целом ряде точек на поверхности конструкций эти косвенные методы нашли применение и при освидетельствовании сооружений. Полученные при этом данные переводятся в прочностные характеристики исследуемого материала по эмпирическим формулам или с применением соответствующих графиков и таблиц [2, 4, 6, 12-14, 19, 23].

Оценка прочности бетона. При косвенной оценке прочности бетона по твердостным характеристикам его поверхностного слоя приходится учитывать следующие факторы, усложняющие эту оценку [2, 4, 6, 12-14, 19, 23]:

1) большой разброс результатов испытаний на "твердость", обусловленный неоднородностью структуры бетона. Для получения надежных данных необходимо увеличить число проверяемых на поверхности точек и статистически обработать результаты испытаний;

2) возможная карбонизация поверхностного слоя, повышающая показатели твердости, а также увлажнение поверхности, снижающее эти показатели;

3) возможность расхождения прочностных характеристик на поверхности и в глубине массивных блоков. Это может быть проверено, например, контрольным бурением с выемкой образцов с разной глубины, а также применением рассматриваемых далее неразрушающих способов.

Краткий обзор практически наиболее оправдавших себя и методически интересных приемов приводится ниже.

Оценка прочности бетона с помощью эталонного молотка К. П. Кашкарова схематически показан на рис. 1.5. Принцип его действия аналогичен рассмотренному выше прибору Польди с той разницей, что удар наносится взмахом самого эталонного молотка. При ударе боек (стальной шарик диаметром 15 мм) оставляет на поверхности исследуемого бетона вмятину диаметром d_b, а на эталонном стержне (круглого сечения из Ст. 3 диаметром 10 мм) - отпечаток диаметром d_ЭT,_. d_b /d_ЭТ; прочность бетона оценивается по корреляционной зависимости между d_b /d_ЭТ и пределом прочности бетона на сжатие, устанавливаемой экспериментально. Эталонный молоток рекомендуется для разных операций: оценок отпускной прочности бетонных изделий на заводах железобетонных конструкций, прочности бетона при передаче напряжения от арматуры на бетон в предварительно напряженных железобетонных конструкциях, коэффициента изменчивости прочности бетона в конструкциях (что особенно существенно при обследованиях сооружений) и т. д. [2, 4, 6, 12-14, 19, 23].

Рис. 1. Схема молотка К. П. Кашкарова: 1 - головка; 2 - рукоятка; 3 - эталонный стержень; 4 - стальной арик; 5 - стакан; 6 - торец стержня 3; 7 - испытуемый материал; 8 - пружина

Оценка прочности бетона склерометром. Приборы этого типа применяются главным образом за рубежом. Из их числа наиболее известен прибор Шмидта (Швейцария). В этих приборах, так же как в ударнике Шора для металла, о характеристиках материала судят по величине отскока стального бойка. Отскок фиксируется указателем на шкале. Удар наносится не непосредственно по исследуемой поверхности бетона, а воспринимается наконечником прибора, прижатого к конструкции. Этот промежуточный стальной элемент необходим, поскольку величина отскока при резкой разнице модулей упругости соударяемых материалов становится трудносопоставимой. Удар осуществляется спуском пружины, а не свободным падением бойка, как у Шора, что позволяет испытывать любым образом ориентированные поверхности. Прибор удобен в работе и дает довольно четкие результаты. Ударники Шмидта применяются почти исключительно в транспортном строительстве при освидетельствовании железобетонных мостов. Применяются также и несколько измененные конструкции прибора [2, 4, 6, 12-14, 19, 23].

Способ стрельбы. Данный способ является своеобразным вариантом динамических оценок прочности материала. В 1933 г. Б. Г. Скрамтаевым была предложена оценка качества бетона по объему лунки, выбиваемой в нем револьверной пулей. Выстрел из револьвера системы "Наган" производится с расстояния 6…8 м от конструкции перпендикулярно ее поверхности с ограждением стреляющего от осколков и возможного рикошета. Объем образовавшихся лунок определяется измерением или, что более точно, по объему замазки, расходуемой на заполнение выбоин. Разброс получаемых результатов, однако, является значительным. Дальнейшим развитием метода было предложенное несколько позднее Ф.Ф. Поляковым специально сконструированное ружье с подставкой, приставляемой к поверхности элемента. При выстреле в бетон входил стальной ударник, глубина погружения которого и служила показателем прочности материала. Способ стрельбы нашел практическое применение в испытаниях деревянных конструкций [2, 4, 6, 12-14, 19, 23].

Акустические методы. Акустические методы основаны на возбуждении упругих механических колебаний. По параметрам этих колебаний и условиям их распространения судят о физико-механических характеристиках и состоянии исследуемого материала. В зависимости от частоты колебаний акустические методы делятся на ультразвуковые (от 20 тыс. Гц и выше) и методы, основанные на использовании колебаний звуковой (до 20 тыс. Гц) и инфразвуковой (до 20 Гц) частот [2, 4, 6, 12-14, 19, 23].

Ультразвуковые методы. Возбуждение и прием колебаний. Для возбуждения ультразвуковых волн на поверхности исследуемого материала устанавливают преобразователи переменного электрического тока, создающие колебания. Чаще всего применяются преобразователи, действующие по принципу пьезоэффекта. При этом для возбуждения колебаний используется так называемый «обратный», а в преобразователях для приема колебаний - «прямой» пьезоэффекты. Поскольку воздушные прослойки препятствуют передаче и приему ультразвуковых колебаний, между преобразователями и исследуемым материалом наносят контактирующую среду. Для металла применяют обычно минеральное масло, для бетона и других материалов с неровной поверхностью необходимы смазки более густой консистенции - солидол, технический вазелин, эпоксидные смолы и т.д.

Условия прохождения ультразвуковых волн. Ультразвуковые колебания могут быть введены в исследуемую среду узким направленным пучком - «лучом» с малым углом расхождения. Колебания частиц происходят при этом лишь в локализованном объеме материала, ограниченном контурами пучка, а исследуемый же элемент в целом остается неподвижным. Эта возможность прозвучивания материала в заданных направлениях является весьма существенной при проведении исследований. Ультразвуковые волны, переходя из одной среды в другую, преломляются, а также отражаются от граней, разделяющих эти среды, что используется для определения их распространения при данном методе контроля. В воздушных прослойках ультразвуковые колебания затухают почти полностью, что позволяет выявлять и исследовать скрытые внутренние дефекты: трещины, расслоения, пустоты и т.д. Различают продольные и поперечные волны. В первом случае частицы материала колеблются по направлению ультразвукового луча, а во втором - перпендикулярно к нему. Используют также поверхностные волны, как продольные, так и поперечные, распространяющиеся лишь в поверхностном слое материала и позволяющие, например, в металле, обнаруживать самые мелкие поверхностные повреждения. Скорость распространения волн (своя для каждого из указанных видов материалов) является одним из основных показателей при оценке физико-механических характеристик бетона, древесины и др. материалов с переменными плотностью и влажностью.

Способы прозвучивания. По направлению ультразвуковых волн различают два основных приема прозвучивания [2, 4, 6, 12-14, 19, 23]:

а) сквозное - когда излучатель, возбуждающий колебания, и приемник, воспринимающий их, расположены с противоположных сторон исследуемого объекта (рис. 2,а,б). Направление ультразвукового луча по отношению к поверхности материала может при этом быть как нормальным, так и наклонным;

б) с использованием отражения или «эхо-метода», когда излучатель и приемник располагаются на одной и той же стороне (рис. 38,в), что особенно существенно при возможности лишь одностороннего доступа к объекту.

По характеру излучения необходимо различать:

а) метод непрерывного излучения с подачей к излучателю колебаний переменного тока постоянной частоты; по такому принципу были разработаны первые дефектоскопы (С.Я. Соколов, 1928 г.) для выявления дефектов в материале по направлению звуковой тени (рис. 38,в);

 (a)

(б)

(в)

Рис. 2. Способы прозвучивания:

а - сквозное прозвучивание нормально к поверхности элемента; б - диагональное прозвучивание; в - эхо-метод; 1 - прозвучиваемый элемент; 2 - излучающая пьезоэлектрическая пластинка; 3 - пьезопластинка, воспринимающая колебания; 4 - призма из оргстекла; 5 - направление прозвучивания; 6- выявляемый дефект; 7 - теневая зона

б) импульсный метод, получивший сейчас самое широкое применение как наиболее эффективный при исследованиях бетона, при дефектоскопии сварных швов металлоконструкций и др. В этом случае к преобразователю через определенные достаточно малые промежутки времени, например, 25 или 50 раз в 1 сек, подаются короткие серии («пакеты») колебаний высокой частоты.

Область применения ультразвуковых методов. Определение динамического модуля упругости. Скорость распространения упругих колебаний v связана с динамическим модулем упругости Е_днн и плотностью с проверяемого материала соотношением

н = ,

справедливым для случая продольных колебаний в стержне (одномерная задача). Определив экспериментально скорость распространения волны колебаний в элементе, длина которого велика по сравнению с его поперечными размерами, находим, E_дин = v²с, если плотность материала известна [2, 4, 6, 12-14, 19, 23].

Определение толщины элемента при одностороннем доступе. В серийно выпускаемых для этой цели толщиномерах используется непрерывное излучение продольных ультразвуковых волн регулируемой частоты. На рис. 3 показан график распространения колебаний (условно направленных не вдоль, а поперек направления луча) по толщине стенки. Дойдя до противоположной ее грани, волна отражается и идет в обратном направлении. Если проверяемый размер h точно равен длине полуволны (или кратен этой величине), а противоположная грань соприкасается с менее плотной средой, то прямые и отраженные волны совпадают.

Рис. 3. Схема измерения толщины резонансным методом: 1 - исследуемая деталь; 2 - пьезоэлемент; 3 - совпадающие амплитуды прямой и обратной «стоячей» волны; h - толщина детали

Замерив соответствующую резонансную частоту f и зная скорость распространения волн по длине 2h (суммарный ход прямого и отраженного лучей), находим проверяемую толщину по формуле:

h = н / 2f

Для стали скорость продольных ультразвуковых волн практически постоянна (v = 5,7х 10⁵ см/сек), что дает возможность, меняя частоту в пределах от 20 до 100 тыс. гц, надежно измерять толщину стенок от долей миллиметра до нескольких сантиметров.

Определение глубины трещин в бетоне. Излучающий и приемный преобразователи А и В располагаются симметрично относительно краев трещины на расстоянии а друг от друга (рис. 1.8 и 1.25). Колебания, возбужденные в точке А, попадут в точку В по кратчайшему пути: , где а - глубина трещины. При скорости v на это потребуется время , определяемое экспериментально [2, 4, 6, 12-14, 19, 23].

Глубину трещины находим из соотношения:

,

где скорость v определяется обычно на неповрежденных участках поверхности. По указанному методу могут быть исследованы трещины глубиной до нескольких метров.

Отметим также другие практически наиболее важные области применения ультразвуковых методов. В бетонных и железобетонных конструкциях производится [2, 4, 6, 12-14, 19, 23]:



Рис. 4. Определение глубины поверхностной трещины в бетоне: 1 - бетонный массив; 2 - трещина; А - излучающий и В - приемный преобразователи

Рис. 5. Определение глубины расположения дефекта: 1 - просвечиваемый элемент; 2 - дефект; 3 - фотопленка; 4 и 4' - источник излучения в двух позициях; 5 и 5' - затемненные участки фотопленки; с - смещение источника излучения; с' - смещение центра заснятого изображения; F- фокусное расстояние; х - расстояние от фотопленки до горизонтальной оси дефекта

- определение прочности бетона по корреляционным зависимостям между скоростью распространения ультразвуковых волн и прочностью бетона на сжатие, устанавливаемым путем параллельных ультразвуковых и прочностных испытаний образцов бетона заданного состава и режима изготовления (при контроле вновь изготовляемых конструкций и деталей) или образцов, извлеченных из возведенных сооружений. В случае невозможности отбора образцов из уже эксплуатируемых конструкций ориентировочное определение прочности бетона возможно по тарировочной зависимости;

- контроль однородности бетона в сооружениях;

- выявление и исследование дефектов в бетоне сквозным прозвучиванием (возможным и при значительных толщинах бетона - до 10 м и более) и путем измерений на поверхности конструкций. О наличии и характере дефектов и повреждений судят при этом по изменениям скорости прохождения ультразвуковых волн в пределах отдельных участков поверхности (так называемый метод годографа, т. е. графика скоростей);

- определение толщины верхнего ослабленного слоя бетона, расположения слоев разной плотности и т. п. Наличие арматуры в железобетонных конструкциях не мешает применению ультразвуковых методов, если направление прозвучивания не пересекает арматурные стержни и не совпадает с ними.

В металлических конструкциях:

- импульсная дефектоскопия швов сварных соединений в стальных и алюминиевых конструкциях;

- дефектоскопия основного материала;

- толщинометрия (определение толщин защитных металлических покрытий; выявление ослабления сечений коррозией).

В деревянных конструкциях и конструкциях с применением пластмасс:

- проверка физико-механических характеристик,

- проверка качества и дефектоскопия основного материала;

- дефектоскопия клеевых соединений и стыков.

Порошковый метод является самым простым и наиболее доступным. В нем применяют мелкоразмолотые ферромагнитные порошки - железный сурик, окалину и т. п., выбирая цвет порошка контрастным по отношению к цвету предварительно зачищенной проверяемой поверхности. Порошок наносится или сухим способом (напылением) либо в виде водной суспензии, что предпочтительнее при контроле строительных конструкций, или керосино-масляной (этот прием целесообразен при контроле смазанных маслом деталей механизмов). Над местами расположения дефектов порошок оседает в виде хорошо заметных скоплений. Четче всего выявляются поверхностные дефекты. Неровности сварных швов не мешают выявлению поверхностных дефектов, но затрудняют исследование расположенных в глубине. Так, например, в швах толщиной 10 мм удовлетворительно в виде прямых линий выявляются непровары, расположенные на расстоянии 2…4 мм от поверхности и идущие вглубь на 3…5 мм [2, 4, 6, 12-14, 19, 23].

Определение напряженного состояния металла. Зная длину волны монохроматического рентгеновского излучения и угол падения его лучей на поверхность проверяемой детали, можно на основании замеров на соответствующих рентгенограммах вычислить основной параметр кристаллической структуры исследуемого материала - расстояние между центрами атомов в его кристаллической решетке.

Рис. 6. Определение диаметра арматуры и толщины защитного слоя бетона: 1 - просвечиваемый бетонный элемент; 2 - арматурный стержень; 3 - фотопленка, приложенная к нижней поверхности элемента; 4 и 4' - положения источника излучения; а - расстояние от центра стержня до нижней грани элемента; b - толщина защитного слоя; с - перемещение источника излучения; с' - сдвиг края проекции при перемещении источника излучения из 4 в 4'; d - диаметр стержня; d' - проекция стержня на фотопленку; F - фокусное расстояние

В бетоне и железобетоне производятся [2, 4, 6, 9, 12-14, 19, 23]:

1) контроль однородности и дефектоскопию бетона производят сопоставлением результатов просвечивания в различных участках и точках конструкции. Отдельные дефектные участки целесообразно фиксировать на снимках. Для отчетливого выявления трещин просвечивание следует вести под углом не более 5° к их направлению;

2) определение положения и диаметра арматуры, а также толщины защитного слоя бетона. Схема просвечивания показана на рис. 1.28. Диаметр арматуры d и толщина защитного слоя бетона b определяются из выражений:

, где размеры с, с', d' и F показаны на рис. 51.

Перспективным является применение легких переносных бетатронов, обладающих высокой чувствительностью и большой проникающей способностью излучения.

1.3 Выводы. Цель и задачи исследований

1. Приведены цели и задачи испытаний конструкций, изложены современные методы выявления скрытых дефектов и повреждений, а также освещены современные практические методы разрушающих, неразрушающих и оптических испытаний строительных конструкций, материалов.

2. Изложены основные принципы диагностики, ремонта и усиления строительных конструкций.

3. Рассмотрены методы и средства контроля качества и диагностики эксплуатируемых мостов и сооружений.

Глава 2. Совершенствование методики обследования железобетонных мостов на железнодорожном транспорте

2.1 Особенности обследования бетонных и железобетонных конструкций мостов

Определение и оценку состояния лакокрасочных покрытий железобетонных конструкций следует производить по методике ГОСТ 6992-97. При этом фиксируются следующие основные виды повреждений: растрескивания и отслоения, которые характеризуются глубиной разрушения верхнего слоя (до грунтовки), пузыри и коррозионные очаги, характеризуемые их диаметром в мм. Площадь отдельных видов повреждений покрытия выражают ориентировочно в процентах по отношению ко всей окрашенной поверхности конструкции (элемента).

Эффективность защитных покрытий при воздействии на них агрессивной производственной среды определяется по состоянию бетона конструкций после удаления защитных покрытий.

В процессе визуальных обследований производится ориентировочная оценка прочности бетона. В этом случае можно использовать метод простукивания поверхности конструкции молотком массой 0,4-0,8 кг непосредственно по очищенному участку бетона или по зубилу, установленному перпендикулярно поверхности элемента при этом для оценки прочности принимают минимальные значения, полученные в результате 10 ударов. Более звонкий звук при простукивании соответствует более прочному и плотному бетону.

При наличии увлажненных участков и поверхностных высолов на бетоне конструкции определяют величину этих участков и причину их появления.

Результаты визуального осмотра железобетонных конструкций фиксируют в виде карты дефектов, нанесенных на схематические планы или разрезы сооружения или составляют таблицы дефектов с рекомендациями по классификации дефектов и повреждений с оценкой категории состояния конструкций.

2.1.1 Порядок проведения работ по проведению обследования бетонных и железобетонных конструкций мостов

Работы по проведению обследования целесообразно выполнять поэтапно [2, 4, 6, 9, 12-14, 19, 23]:

-ознакомление с состоянием конструкций зданий и составление программы обследований;

-предварительное обследование конструкций сооружения;

-детальное техническое обследование для установления физико-технических характеристик конструкций;

-определение прочности, а в необходимых случаях - жесткости и трещиностойкости конструкций;

-оценка технического состояния конструкций по результатам обследования и условий эксплуатации конструкций объекта (наличие температурных воздействий, динамических ударных нагрузок, соблюдений условий обеспечения пространственной жесткости и устойчивости каркаса, оценка состояния грунтов основания);

- предварительное выявление конструкций, имеющих опасные дефекты, повреждения и деформации, находящихся в аварийном состоянии, с выдачей предложений по проведению первоочередных противоаварийных мероприятий;

- определение безопасного способа доступа к конструкции (использование мостового крана, технологических площадок, устройство необходимых лесов, подмостей, приспособлений, необходимость отключения энергоносителей, вплоть до частичной или полной остановки производства);

- разработка в случае необходимости мероприятий по обеспечению эксплуатационных требований к обследуемым сооружениям.

Состав и объемы работ по обследованию в каждом конкретном случае определяются программой работ на основе технического задания заказчика с учетом требований действующих нормативных документов.

В состав работ по обследованию на стадии разработки проектной документации включаются [2, 4, 6, 9, 12-14, 19, 23]:

- натурные обследования технического (физического) состояния несущих конструкций надземной и подземной частей сооружения (наружных и внутренних стен, колонн, перекрытий, фундаментов, коммуникаций и т.д.) с определением прочностных характеристик конструктивных материалов, а также наличия и степени проявления деформаций и повреждений (трещин, сдвигов, выпучивания, разрушений кирпичной кладки, сырости и т.п.);

- геодезические измерения величин крена зданий, а также отклонений несущих и ограждающих конструкций зданий от вертикали;

- аналитическое определение координат углов зданий и других стабильных элементов ситуации;

- натурное определение расстояний между существующими объектами;

- обмеры натурных габаритов обследуемых объектов;

- определение абсолютных или относительных высотных отметок элементов сооружения (подошвы фундаментов и т.д.);

- уточнение фактических и прогнозируемых нагрузок и воздействий;

- установление фактических физико-механических свойств материалов конструкций;

- проверку фундаментов при выполнении деформаций опор сооружений и несущей способности грунта при выявлении осадок фундаментов;

- обследование прочих элементов сооружения и обмерные работы;

- выявление и обследование помещений и интерьеров, имеющих архитектурно-художественную ценность.

2.1.2 Параметры сооружений, конструкций, дефектов и повреждений, контролируемых при обследовании бетонных и железобетонных конструкций мостов

Контролируемыми параметрами для бетонных конструкций являются: геометрические размеры; прочность бетона конструкций; проницаемость бетона; щелочность бетона; морозостойкость бетона [2, 4, 6, 12-14, 19, 23].

Контролируемыми параметрами для железобетонных конструкций являются: геометрические размеры; ширина раскрытия трещин; вид арматуры; прогибы; толщина защитного слоя бетона; прочность бетона конструкций; проницаемость бетона; щелочность бетона; морозостойкость бетона; диаметры, количество и расположение арматуры; прочность арматуры; состояние стыков или узлов сборных конструкций.

В число контролируемых параметров, при обследовании бетонных, железобетонных конструкций, следует включать:

Прочностные характеристики бетона, камней и раствора в случаях, если [1-4]:

-имеющаяся документация не содержит проектных данных о прочности материла, а эти сведения необходимы при оценке состояния конструкций;

-есть основания предполагать, что при приготовлении и укладке материалов были нарушены требования, действующие на момент строительства;

-есть основания предполагать, что материал в раннем возрасте подвергся воздействию отрицательных температур;

-материал имеет существенные коррозионные повреждения, повреждения в результате пожара или в результате переменного замораживания и оттаивания;

-конструкция подвергалась значительному динамическому или вибрационному воздействию;

-в результате поверочных расчетов с использованием проектных значений прочности материалов установлено, что несущая способность конструкции недостаточна, а есть основания полагать, что фактическая прочность бетона выше проектной;

-при изменении нагрузок или условий эксплуатации.

Количество, диаметр и прочность арматуры в случаях, если:

-отсутствуют проектные данные об армировании, а эти сведения необходимы при оценке состояния конструкций;

-есть основания предполагать, что при изготовлении были допущены отступления от проекта в армировании;

...