книги из ГПНТБ / Максимов Л.С. Измерение вибрации сооружений справ. пособие

Л. С. МАКСИМОВ, И. С. ШЕЙНИН

ИЗМЕРЕНИЕ

ВИБРАЦИИ

СООРУЖЕНИЙ

Под редакцией д-ра техн. наук

И. С. Шейнина

Л е н и н г р а д С т р о й и з д а т . Л е н и н г р а д с к о е о т д е л е н и е

1974

УДК 534.838

Научный редактор — проф. д-р техн. наук Б. А. Г л а г о в с к и й

Максимов Л. С., Шейнин И. С. Измерение вибрации со­ оружений. (Справочное пособие). Под ред. д-ра техн. наук И. С. Шейнина. Л., Стройиздат (Ленингр. отд-ние), 1974,

с. 255.

В книге приводятся сведения о методах и приборах для измерения, регистра­ ции и анализа параметров вибрации — перемещений, скоростей и ускорений, а так­ же динамических деформаций и пульсаций давления на поверхностях конструк­ ций сооружений. Сообщаются технические данные наиболее распространенных при­ боров серийного производства. Даются практические рекомендации по проведению натурных исследований и организации наблюдений в процессе эксплуатации соору­ жений.

Книга предназначена для инженеров, занимающихся исследованием, проекти­ рованием, строительством, испытанием и эксплуатацией сооружений.

Табл 37, рис 121, список лит.: 252 назв.

Гос. пу ' гчная

научноI Ія f І П W- •- “ i V•I CWRri

библиотека GC1

© Стройиздат'. Ленинградское отделение, 1974.

ПРЕДИСЛОВИЕ

В связи с наблюдающимся в последние, годы существенным облег­ чением конструкций сооружений, повышением их экономичности, со­

а также в связи с широким внедрением в производство различных вибрационных методов и оборудования, роль и значение динамических явлений в инженерных сооружениях оказались настолько существен­ ными, что их изучение и учет при проектировании и строительстве стали важнейшими вопросами строительной науки и практики. Для пра­ вильного решения возникающих при этом научных и инженерных за­ дач необходим широкий сбор фактических материалов на основе на­ турных исследований эксплуатируемых сооружений, а также экспери­ ментальная проверка теоретических результатов и рекомендаций. Такая работа проводится в настоящее время рядом организаций Госстроя

СССР, Минэнерго СССР и других министерств и ведомств, но расши­ рение ее тормозится отсутствием в литературе достаточно полной ин­ формации о методах и приборах для экспериментальных исследований динамических процессов в сооружениях.

Мысль о необходимости составления подробного специализирован­ ного руководства по измерению вибрации сооружений неоднократно высказывалась ведущими специалистами в области строителсьтва и динамики сооружений, а также подчеркивалась на конференциях и сим­ позиумах по экспериментальным исследованиям и по динамике со­ оружений.

Такое руководство необходимо не только специалистам научных и проектных учреждений, занимающимся разработкой методов динами­ ческого расчета сооружений, но и сотрудникам строительных, монтаж­ ных и наладочных организаций, а также работникам служб эксплуата­ ции промышленных, энергетических, воднотранспортных объектов и других сложных инженерных сооружений для организации текущего контроля за состоянием конструкций и уровнем колебаний рабочих мест обслуживающего персонала, равно как и мест установки техно­ логического оборудования, чувствительного к вибрациям.

Цель настоящей книги —- восполнить отмеченный недостаток инфор­ мации. При выборе методов и приборов, описанных в книге, авторы исходили из потребностей динамики сооружений и базировались на опыте работы в этой области, причем методы и приборы, применяемые в настоящее время реже других, описаны весьма кратко, а в ряде случаев лишь упоминаются со ссылкой на литературу. В книге не рас­ сматриваются методы и приборы, хотя и чрезвычайно широко исполь­ зуемые в виброметрии вообще, но не нашедшие применения в динамике

рии [S, 9, 14, 43—47, 70, 257, 261, 262, 266]. Не вошло в книгу также описание методов и приборов, применяемых только для модельных

3

ВВЕДЕНИЕ

§ 1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИЗУЧЕНИЯ ВИБРАЦИЙ

Изучение вибрации сооружений производится с целью:

1)определения допустимости этих вибраций;

2)определения динамических характеристик сооружения для про­ гнозирования его поведения при возможном изменении динамических нагрузок вследствие реконструкции, смены оборудования и т. п.;

3)исследования и уточнения истинного характера динамических

процессов в сооружении для разработки и улучшения методов расчета

иконструирования сооружений с учетом динамических явлений.

Всоответствии с каждой из этих целей возникают и определенные измерительные задачи, например:

а) измерить амплитуду вертикальных гармонических колебаний в определенной точке сооружения с визуальным отсчетом на месте измерения;

б) обеспечить запись и последующий гармонический анализ гори­ зонтальной составляющей ускорения вдоль определенной оси здания; в) измерить уровни среднеквадратичной скорости колебаний в за­ данных частотных полосах по - трем взаимно перпендикулярным на­

правлениям в отдельной точке; г) обеспечить синхронную запись вертикальных составляющих пе­

ремещений в 18 точках по длине многопролетной балки при воздей­ ствии на нее импульсом с последующим определением частот и форм собственных колебаний;

д) обеспечить синхронную запись силы и двух составляющих пе­ ремещений в 16 точках на ригеле и колоннах рамы при ее возбужде­ нии вибратором с последующим получением гармонических коэффи­ циентов влияния;

е) обеспечить синхронную запись всех трех компонентов силы, пе­ редающейся на сооружение от машины, и перемещения в 24 точках сооружения с последующим анализом частот и форм вынужденных колебаний;

ж) определить автокорреляционные функции перемещений в опре­ деленных точках сооружения, автокорреляционные функции пульсации гидродинамического давления в других точках и взаимно-корреляцион­ ные функции пульсации давления и вибрации.

Приведенные примеры, далеко не исчерпывая всего разнообразия реальных измерительных задач, дают лишь представление об их воз­ можном характере. Разумеется, сами измерительные задачи, сформу­ лированные подобным образом, вытекают из более общих задач про­ ведения эксперимента в целом, а эти более общие задачи ставятся с учетом возможностей измерительной техники.

Для решения конкретной измерительной задачи подбирают: определенный прибор, если задача достаточно стандартна и про­

мышленность выпускает соответствующую готовую аппаратуру;

5

набор приборов, согласуемых между собой, если задача более сложна;

набор приборов, для согласования которых между собой, а также для выполнения новых функций, не предусмотренных в серийной аппа­ ратуре, приходится создавать новые узлы и схемы.

Если необходимо в течение длительного времени решать ряд одно­ типных измерительных задач, то обычно создают постоянные изме­ рительные комплекты, комплексы и станции.

§ 2. ИЗМЕРЯЕМЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Рассмотрим, как выбираются измеряемые характеристики в зави­ симости от цели изучения вибраций.

Допустимость вибрации сооружений нормируется по трем предель­ ным состояниям [83]:

1)по прочности с учетом выносливости;

2)по общим вибрациям рабочих мест (по физиологическому воз­

действию на персонал); 3) по вибрациям мест установки технологического оборудования,

чувствительного к вибрациям.

В некоторых случаях, например, для фундаментов под машины с динамическими нагрузками и для напорных гидросооружений, до­ пустимость вибрации оценивается также с точки зрения общей устой­ чивости и ограничения осадок вибрирующего сооружения на грунтовом основании, а также передачи вибрации к окружающим зданиям и со­ оружениям.

Прочность и выносливость оцениваются на основании данных о внутренних усилиях в сечениях конструкций. Непосредственному из­ мерению внутренние усилия не поддаются, поэтому их определяют косвенными методами, основными из которых являются:

1) вычисление внутренних усилий по непосредственно измеряемым деформациям в характерных точках сечения; такой способ позволяет получить весьма точные результаты для конструкций из однородных материалов — металлических, деревянных и т. п., но не очень точен для элементов из железобетона;

2) вычисление внутренних усилий по форме колебаний, определяе­ мой на основе синхронного измерения перемещений во многих точках элемента; при этом используется дифференциальная зависимость между перемещениями и внутренними усилиями, и незначительная погреш­ ность построения формы колебания может привести в результате диф­ ференцирования экспериментального графика к значительной ошибке при определении величины внутреннего усилия;

3) вычисление внутренних усилий по расчетной форме колебаний на основе измерения амплитуды в одной из точек; точность этого способа зависит главным образом от степени соответствия между расчетной и фактической формами колебаний, поэтому он применяется для кон­ струкций, сравнительно легко поддающихся расчету, а также для кон­ струкций гидросооружений, измерение колебаний подводных частей ко­ торых связано с большими трудностями;

4) вычисление внутренних усилий по квазистатической схеме, с при­ бавлением к амплитудам возмущающих сил амплитуд сил инерции,

причем последние определяются умножением известных масс конструк­ ции на измеряемые ускорения.

Таким образом, в зависимости от реализуемого способа возникают задачи:

1) измерения динамических деформаций в весьма значительно числе точек;

6

2)синхронного измерения перемещений во многих точках;

3)измерения амплитуды колебаний в одной точке;

4)синхронного измерения ускорений во многих точках.

Применение других, менее распространенных, способов может при­ вести к необходимости измерения и других характеристик.

Общие вибрации рабочих мест оцениваются на основании данных о воздействии колебаний на организм человека. В настоящее время действуют нормативные документы, базирующиеся на измерении сред­ неквадратичного значения скорости в октавных полосах спектра с оп­ ределенными границами. Близким к рассмотренному является вопрос о колебаниях жилых зданий, расположенных вблизи от промышлен­ ных предприятий и транспортных путей. Однако документа, нормирую­ щего допустимость этих вибраций, в настоящее время нет.

Вибрации мест установки машин и приборов оцениваются суще­ ствующими нормами на основе данных об амплитудах ускорений гар­ монических колебаний на низких частотах (не более 10 гц) и данных об амплитудах скорости гармонических колебаний на более высоких частотах. При негармонических колебаниях оценки обычно базируются на данных о максимальных или среднеквадратичных значениях скоро­ сти колебаний. Для некоторых видов уникального оборудования тех­ нологами задаются индивидуальные параметры допустимых максималь­ ных или среднеквадратичных ускорений, скоростей или перемещений в определенных областях спектра.

Динамические характеристики сооружений обычно определяют с по­ мощью вибромашины с заранее известной или измеряемой в процессе опыта амплитудой силы и приборов, измеряющих частоты и амплитуды деформации, перемещения, скорости, ускорения в различных точках сооружения в одном, двух или трех направлениях. При этом измере­ ния всех характеристик стремятся проводить синхронно.

Исследование динамических процессов в сооружении обычно свя­ зано с решением сложных и нестандартных измерительных задач вслед­ ствие большого разнообразия источников динамической нагрузки и конструктивных форм сооружений. Можно отметить, однако, что основ­ ные методы таких исследований базируются на многоточечных измере­

герца, например, для высоких гибких сооружений, таких как мачты, дымовые трубы, гибкие ростверки, до сотен, а иногда и тысяч герц для жестких конструкций, несущих механизмы ударного действия, для зданий цехов взрывной штамповки и т. д. Амплитуды колебаний — от нескольких сантиметров, а иногда (хотя и редко) и метров, до долей микрона. Причем не всегда низким частотам соответствуют большие амплитуды. Например, для фундаментов оборудования при обработке зеркал телескопов опасными являются даже микронные колебания с час­ тотами ниже 5 гц. От этих колебаний не удается изолироваться именно из-за низкой частоты. Амплитуды колебаний на частотах более 50 гц обычно не превышают 1—2 мм. Точнее говоря, колебания, в спектре ко­ торых имеются частоты более 50 гц, обязательно содержат и более низко­ частотные составляющие, так что суммарные перемещения могут до­ стигать 1—2 'мм. При этом амплитуды высокочастотных составляющих не превышают десятков микрон, и верхняя граница этих амплитуд может быть определена из соображения, что ускорения колебательного движения обычных инженерных сооружений практически никогда не превышают 100 м/секг (за исключением случаев весьма специальных исследований).

7

Для наглядного изображения области кинематических параметров колебаний сооружений удобно пользоваться логарифмической коорди­ натной сеткой, откладывая по горизонтали частоты, а по вертикали — скорости колебательного движения (рис. 1).

При этом линии равных перемещений и равных ускорений будут прямыми, идущими под определенным, зависящим от масштаба сетки

углом к горизонтали.

Указанная выше область параметров колебаний сооружений окон­ турена на рис. 1 жирной линией. Здесь же показаны примерные обла­ сти колебаний отдельных типов сооружений при обычных эксплуата­ ционных условиях.

Для изучения динамических нагрузок необходимо измерение пере­ менных во времени сил и пульсаций давления.

Широко применяются также методы, базирующиеся на измере­ ниях динамических деформаций с помощью металлических и полупро­ водниковых тензодатчиков сопротивления.

§ 3. О КЛАССИФИКАЦИИ ВИБРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ

И ОБЩИХ ПРИНЦИПАХ ПОСТРОЕНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СХЕМ

Термин «измерение вибрации» является несколько условным, ибо под ним понимают не собственно измерение вибрации как процесса, что является бессмыслицей, а измерение, регистрацию и анализ кине­ матических величин, характеризующих вибрацию,— перемещений, ско­ ростей, ускорений и т. п. Тем не менее использование этого термина практически не приводит к недоразумениям, он лаконичен, распростра­ нен весьма широко и нет причин от него отказываться.

Общая теория приборов для измерения вибраций является основ­ ным содержанием виброметрии [8, 9, 14, 43—47, 56, 57, 70, 88, 255, 257, 261, 262, 265, 266]. Установившейся классификации таких проборов нет. Наиболее известные примеры классификации приводятся в [56] и осо­ бенно обстоятельно в [88]. Здесь отметим лишь несколько обстоятельств, которые необходимо учитывать при выборе аппаратуры.

Если достаточно близко от исследуемого элемента (колебания его необходимо измерить) не удается найти другой элемент, координаты которого могут быть приняты за неподвижные, то измеряют переме­ щения элемента относительно так называемой инерционной массы (сейсмомассы). Закономерности движения сейсмомассы будут рассмот­ рены в § 1.1.

Измерение или регистрация колебаний может производиться непо­ средственно у вибрирующего элемента с помощью механических иля оптических приборов, описание которых приводится соответственна в § 1.2 и 1.3, либо дистанционно. В основу устройства всех дистанци­ онных приборов для измерения вибраций положен общий принцип — механические величины, характеризующие колебательное движение, преобразуются в электрические, которые затем измеряются или реги­ стрируются с помощью электроизмерительных приборов или регистра­ торов электрических сигналов. Электрические приборы часто применя­ ются и для измерений непосредственно у вибрирующего элемента. Они, как правило, менее громоздки и более удобны в работе, чем механиче­ ские и оптические приборы с соответствующими характеристиками. Кроме того, только электрические методы дают возможность одновре­

8