Экспериментальная оценка долговечности сварных металлических пролетных строений мостов методом инфракрасной термографии

Усталостные трещины в элементах конструкций металлических мостов являются достаточно частым и трудно предсказуемым на стадии проектирования явлением. Для обнаружения таких трещин на стадии эксплуатации используется, как правило, визуальный осмотр проблемных зон, реже применяются такие методы неразрушающего контроля, как ультразвуковая дефектоскопия и акустическая эмиссия. В последнее время активно развивается метод выявления усталостных трещин, основанный на регистрации и анализе тепла, рассеиваемого при деформировании материала. Подход к определению наиболее вероятных мест появления усталостных трещин в сварных конструкциях металлических мостов методом инфракрасной термографии рассматривается в настоящей статье. Физической основой служит явление саморазогрева металла при статическом и циклическом нагружении, которое возникает из-за развития в отдельных зонах конструкций местных микропластических деформаций, приводящих к существенному приросту выделения тепла. Приведены результаты экспериментальных лабораторных исследований образца с усталостными трещинами. В качестве образца использована изгибаемая балка на двух опорах с заранее выращенной трещиной при циклическом нагружении. В ходе эксперимента термограммы регистрировались и сохранялись с частотой 9 кадров в секунду, и тем самым формировались данные зависимости изменения температур исследуемой поверхности от времени. Для устранения шумов использовалась обработка полученных термограмм с помощью механизма кратномасштабного анализа Малла и функции Добеши-4 вейвлет-анализа. Для повышения точности выявления зон с интенсивным тепловыделением после удаления шумов предложено использовать сумму квадратов разностей значений температур по каждому пикселю каждой термограммы (кадра) из полной записи процесса циклического нагружения.

долговечность, металлические пролетные строения, усталостные трещины, инфракрасная термография, вейвлет-анализ, durability, steel bridge, fatigue cracks, infrared thermography, wavelet analysis

1. Березин И. Я., Чернявский О. Ф. Сопротивление материалов. Усталостное разрушение металлов и расчеты на прочность и долговечность при переменных напряжениях : учеб. пособие. Челябинск : Изд-во ЮУрГУ, 2003. 76 с.

2. Мальгин М. Г., Кирьян В. И., Дворецкий В. И. Расчет локальных напряжений в зонах сварных соединений крупногабаритных пространственных конструкций // Автоматическая сварка. 2012. № 4. С. 3-7.

3. Мальгин М. Г., Кирьян В. И. Расчет на усталость сварных узлов ортотропных плит металлических пролетных строений мостов по локальным напряжениям // Вкник Дншропетровського национального ушверситету залiзничного транспорту iменi академша В. Лазаряна. 2011. № 39. С. 91-97.

4. Корнеев М. М. Стальные мосты. Теоретическое и практическое пособие по проектированию мостов. Киев : Академпресс, 2010. Т. 1. 532 с.

5. WolchukR. Discussion of "Consistent Approach to Calculating Stresses for fatigue Design of Welded Rib-to-Web Connections in Steel Orthotropic Bridge Decks" by Robert J. Connor and John W. Fisher // Journal of bridge engineering ASCE. 2007. № 12 (6). Р. 811-815.

6. Шабанов А. П., Шакиртов М. М. О влиянии коэффициента асимметрии внешней нагрузки на характеристики цикла нагружения материала, расположенного в окрестности вершины трещиновидного дефекта // Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. 2016. № 4. С. 12-18.

7. Вавилов В. П. Инфракрасная термография и тепловой контроль. М. : Спектр, 2009. 544 с.

8. Глушков С. П., Соловьев Л. Ю., Борисовская Н. Е. Выявление дефектов в усиленных композиционными материалами конструкциях методом инфракрасной термографии // Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. 2015. № 4. С. 36-42.

9. Chatterjee K., Tuli S., Pickering S. G., AlmondD. P. A comparison of the pulsed, lock-in and frequency modulated thermography nondestructive evaluation techniques // NDT & E International. 2011. № 44 (7). Р. 655-667.

10. Thermographic crack detection by eddy current excitation / G. Zenzinger, J. Bamberg, W. Satzger, V. Carl // NDT & E International. 2007. № 22 (2-3). Р. 101-111.

11. Holland S. D. Thermographic signal reconstruction for vibrothermography // Infrared Physics & Technology. 2011. № 54 (6). P. 503-511.

12. Yun-Kyu A., Min K. J., Hoon S. Laser lock-in thermography for detection of surface-breaking fatigue cracks o nuncoated steel structures // NDT & E International. 2014. № 65. P. 54-63.

13. TSA based evaluation of fatigue crack propagation in steel bridge member / T. Sakagami, Y. Mizokami, D. Shiozawa, Y. Izumi // Procedia Structural Integrity. 2017. № 5. P. 1370-1376.

14. Sakagami T., Izumi Y., Kubo S. Application of infrared thermography to structural integrity evaluation of steel bridges // Journal of Modern Optics. 2010. Vol. 57, № 18. Р. 1738-1746.

15. Соловьев Л. Ю., Соловьев А. Л. Удаленный контроль усталостных трещин в металлических пролетных строениях мостов // Транспортная инфраструктура Сибирского региона : материалы Восьмой Междунар. науч.-практ. конф., 28 марта - 1 апреля 2017 г., Иркутск : в 2 т. Иркутск : ИрГУПС, 2017. Т. 1. С. 469-473.

16. Mallat S. G. A Theory for Multiresolution Signal Decomposition: The wavelet Representation // IEEE Transactions on pattern analisys and machine intelligence. 1989. Vol. II, № 7, July. Р. 674-693.

17. Gadaj S. P. Nowacki W. K., Pieczyska E. A. Investigation of temperature distribution during plastic deformation of stainless steel // QIRT 96 - Eurotherm Series 50. Pisa : Edizioni ETS, 1997. Р. 298-303.