17 октября 2021
Авторы:
Белый Андрей Анатольевич, кандидат технических наук, доцент, доцент ФГКВОУ ВО ВАМТО;
Белов Александр Алексеевич, заместитель генерального директора АО НПП «Промтрансавтоматика»;
Ященко Андрей Иванович, заместитель генерального директора ООО «Фирма Г.Ф.К.»;
Антонюк Анатолий Анатольевич, инженер кафедры «Мосты» ФГБОУ ВО ПГУПС.
СОДЕРЖАНИЕ: описывается разработанная и смонтированная коллективом авторов система мониторинга моста Александра Невского через Неву в Санкт-Петербурге. Данная система была внедрена как первый этап реализации Концепции мониторинга искусственных дорожных сооружений Санкт-Петербурга с применением автоматизированных технологий. Сформулировано понятие «интегральный» мониторинг, включающее в себя несколько разных подсистем с отличающимися физическими базисами, а также основывающееся на приоритетах и алгоритмах, заложенных в программное обеспечение, позволяющих избегать ошибочных срабатываний системы.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: мониторинг искусственных сооружений; объект транспортной инфраструктуры; управление техническим состоянием; напряженно-деформированное состояние; надежность.
Введение
В настоящее время системы мониторинга являются наиболее адекватным и точным инструментом по диагностике объектов гражданского и транспортного строительства как во время их возведения, так и особенно в период последующей эксплуатации. Эта тенденция наблюдается параллельно с новыми современными подходами глобального информационного моделирования и обследования искусственных сооружений. Различными примерами применения систем мониторинга являются транспортные объекты: мосты, тоннели, набережные, дамбы и гидротехнические сооружения, а также отдельные элементы объектов транспортной инфраструктуры, но основной сферой применения систем мониторинга являются мостовые конструкции. По всей видимости это связано со сложными условиями их эксплуатации, что, впоследствии, напрямую влияет на степень сложности работ по их ремонту и содержанию: зачастую мостовые сооружения расположены через большие реки, заливы, искусственные преграды.
В 2017-2018 годах авторами по заказу старейшей в стране эксплуатирующей организации в области искусственных сооружений- СПб ГБУ «Мостотрест» — была создана «Концепция мониторинга искусственных дорожных сооружений Санкт-Петербурга с применением автоматизированных технологий с последующей разработкой на её основе рабочей документации на систему автоматизированного мониторинга моста Александра Невского» (далее — Концепция мониторинга).
Подробности данной работы неоднократно излагались авторами, например в работах. Не останавливаясь подробно, отметим, что мост Александра Невского послужил первым объектом, направленным на реализацию положений Концепции мониторинга, а всего в этой Концепции порядка 100 городских объектов. Причиной, по которой в качестве первоочередного сооружения был выбран именно мост Александра Невского (а равно объясняющий актуальность настоящей статьи), послужил тот факт, что данный объект является уникальным в своем роде, технические особенности которого, и проблемы, встававшие перед строителями и специалистами по эксплуатации за более чем 50-летний срок службы объекта, хорошо известны представителям отрасли и научному сообществу. Армирование проволочными канатами, расположенными внутри коробчатых балок пролетных строений, натянутых изначально на 80-100 т, а затем П-образные хомуты усиления — это нетиповые элементы, редко применяемые в практике мостостроения даже в наши дни, не говоря о предшествующих периодах. Канаты неоднократно обрывались, пролетные строения провисали, объект реконструировался, и именно на нем при реконструкции 2000-2001 годах впервые в России была применена система мониторинга мостовых сооружений. К моменту подготовки Концепции мониторинга система 2000 г. морально и физически устарела. Прогресс в области аппаратных и программных средств мониторинга за последние 20 лет предопределил необходимость создания качественно нового продукта, позволяющего достоверно и быстро оценить состояние наиболее ответственных узлов и конструкций сооружения, что и является основной целью исследования, проводимого авторами в рамках реализации Концепции мониторинга и написания настоящей статьи.
Для этого авторами были сформулированы и решены следующие задачи:
- анализ технического состояния моста Александра Невского и выбор точек и зон контроля;
- анализ недостатков предыдущей системы мониторинга;
- выбор подсистем мониторинга, с кратким изложением их физической сути работы, для интегральной оценки технического состояния;
- предварительный анализ работоспособности системы мониторинга.
Объект исследования и применяемые параметры мониторинга
Мост Александра Невского через р. Неву был построен в 1960-1965 годах. Мост представляет собой семи пролетное железобетонное сооружение с разводным пролетом посредине и пандусами на обоих берегах. Постоянные пролеты перекрыты 3-х пролетными неразрезными балками с жесткой заделкой на промежуточной опоре (49.9+109.8+123.5 м). Жесткое объединение опоры с пролетным строением является особенностью моста, которая обуславливает необходимость тщательного наблюдения за поведением моста в процессе эксплуатации. В дальнейшем в процессе эксплуатации моста, несмотря на принятие ряда превентивных мер, происходили неоднократные обрывы канатов (в 1967, 1968, 1980 г.).
Ввиду этого, а также по причине все возрастающей транспортной нагрузки, к рубежу тысячелетий было принято решение о проведении полноценной реконструкции моста. В результате этих работ коробчатые балки моста были усилены снаружи и изнутри. Имевшиеся на поверхности главных балок трещины предварительно заделывались специальным раствором, после чего выполнялись работы по усилению, включая натяжение арматурных пучков. Внутри главных балок устанавливались дополнительные канаты фирмы THYSSEN с натяжением на 20% от полного нормативного усилия на случай обрыва уже включенных в работу конструкции арматурных пучков. Для восприятия главных растягивающих напряжений были использованы предварительно напряженные П-образные хомуты из семи проволочных витых канатов по системе Freyssinet (рисунок2). Концы хомутов заделывались в нижнюю плиту внутри коробчатых балок. Вверху имелись специальные отклоняющие устройства, обеспечивавшие перегиб хомутов и одновременное усиление одной ветвью хомута двух внутренних стенок. Были осуществлены и другие работы по полному переустройству некоторых элементов моста.
В 2000 году одновременно с началом реконструкции моста была разработана и внедрена информационно-измерительная система мониторинга (ИИСМ) состояния стационарных железобетонных пролетных строений и разводного пролетного строения моста Александра Невского через реку Неву в Санкт-Петербурге разработки АО НПП «Промтрансавтоматика».
В 2000-2004 годах проходила тестовая эксплуатация информационно-измерительной системы мониторинга. С течением времени в процессе эксплуатации сооружения функциональность системы постепенно уменьшалась по мере выхода датчиков из строя.
Неоднократные обследования и анализы работоспособности и функциональности системы (в основном выполненные силами специалистов кафедры «Мосты» ПГУПС) показали, что смонтированная часть системы мониторинга на мосту Александра Невского функционировала стабильно. Показания датчиков устойчивы. Тестовая (опытная) эксплуатация ИИС была продолжена до апреля 2004 г. В этот период проводился анализ программной и аппаратной частей ИИС с соответствующей их корректировкой и дополнением. Однако добиться требуемой стабильности работы ИИС и достоверности получаемых результатов не удавалось.
Качественно новая система, реализованная на мосту Александра Невского в 2020 г. по проекту 2018 г., учла все негативные моменты от «старой» системы. В ее основу были положены следующие аспекты:
- обоснование расположения средств мониторинга в соответствии с требованиями ст. 15, п. 6 Федерального закона [26], а именно численным моделированием и оценкой рисков возникновения чрезвычайных ситуаций, что • было выполнено на стадии проектирования в Концепции мониторинга;
- использование современных аппаратных средств мониторинга (датчиков), отличающихся большей надежностью, эффективностью (прежде всего, энергоемкостью), универсальностью («сопрягаемостью» друг с другом) и меньшими трудозатратами по установке и обслуживанию;
- разработано уникальное программное обеспечение, учитывающее все особенности сооружения, и обладающее высокими показателями надежности и эргономичности (удобство интерфейса, защита от внезапных отключений, архивирование с использованием современных баз данных);
- в программном обеспечении сформулирован и внедрен уникальный алгоритм, защищающий от ложных срабатываний системы, включающий в себя приоритет одних данных над другими, физическую основу подсистем мониторинга, длительность и цикличность наблюдений.
В системе мониторинга моста Александра Невского, установленной в 2020 г., присутствует несколько подсистем, имеющих абсолютно разные физические и геометрические базы, что позволяет достигнуть основную цель — получения точной и адекватной оценки состояния моста. Этого удалось добиться при помощи т. н. «интегрального мониторинга», т. е. мониторинга состояния конструкций, учитывающего показания с датчиков в совокупности, используя внутренние алгоритмы программы, которые, в свою очередь, основываются на ответственности элементов конструкций, дублировании и цикличности повторения сигналов, защиты от ложных срабатываний.
Подсистема спутникового позиционирования (ГНСС)
В основе спутниковой системы мониторинга деформаций лежит принцип дифференциального (относительного) спутникового позиционирования с помощью сигналов ГНСС. Спутниковые приемники принимают радиосигналы от спутников навигационных систем ГЛОНАСС и GPS. После первичной обработки сигнала приемники передают «сырые» спутниковые данные на сервер для дальнейшей обработки. Данные спутниковых приемников содержат эфемеридную, навигационную информацию и фазовые отчеты. Обработка спутниковой информации осуществляется с помощью программного обеспечения на компьютере (сервере) с помощью алгоритмов разрешения фазовой неоднозначности спутниковых ГНСС измерений, решения навигационной задачи и получения точного местоположения антенны приемников в дифференциальном режиме кинематического позиционирования. В результате спутниковая автоматизированная система деформационного мониторинга получает координаты, а затем смещения в трех направлениях в каждой из точек приемника, как в абсолютных, так и в системе координат мостового перехода.
Результаты и выводы
Таким образом, на базе выполненного анализа технического состояния моста Александра Невского и критической оценки системы мониторинга, существовавшей на нем с 2000 по 2009 г., авторами была разработана и внедрена принципиально новая, качественно более совершенная, инновационная система мониторинга.
Она включает в себя несколько подсистем, имеющих под собой абсолютно разные физически принципы и параметры, обработка которых интегрально, в совокупности, позволяет получить достоверную картину о техническом состоянии сооружений. Использование при разработке данного «интегрального» мониторинга приоритетов и алгоритмов, разработанных авторами настоящей статьи, позволяет достоверно и качественно оценить техническое состояние моста. Научными результатами в соответствии с сформулированными ранее целью и задачами назовем следующие:
- выбор точек и зон контроля мониторинга, выполненный в полном соответствии с действующей нормативной базой на основе анализа технического состояния моста Александра Невского, позволяет сказать об отсутствии избыточности средств мониторинга, наличии четкой взаимосвязи между компонентами;
- использование в совокупности нескольких принципиально разных подсистем мониторинга позволяет обеспечить единую, интегральную оценку технического состояния моста;
- предварительный анализ работоспособности системы мониторинга позволяет сказать о ее высокой надежности и информативности.