Определение крена способом вертикального проецирования

Определение крена высотных зданий
по результатам наблюдений за осадками фундаментов

Авторы: А.М. Сонин, А.А. Игильманов, С.Е. Енкебаев

Описание: В статье приводится методика определения крена высотных зданий по величине перемещения марок, устанавливаемых на фундаментной плите и дается оценка точности определения крена здания по результатам наблюдения за осадками фундаментных марок.

Абстракт. В статье приводится методика определения крена высотных зданий по величине перемещения марок, устанавливаемых на фундаментной плите и дается оценка точности определения крена здания по результатам наблюдения за осадками фундаментных марок.

Abstract. In article the technique of definition of a list of high-rise buildings on size of moving of the marks established on a base plate is resulted and the estimation of accuracy of definition of a list of a building by results of supervision over deposits of base marks is given.

Ключевые слова: осадка фундамента, крен здания, точность определения, применение методики

1. Точность измерений вертикальных перемещений ростверка-плиты и крена надземной части здания;

2. Рекомендуемые методы измерений перемещений фундамента и применяемые инструменты;

3. Определение средней осадки и неравномерности осадок фундамента;

4. Определение крена здания;

5. Применение предлагаемой методики.

1. Точность измерений вертикальных перемещений
ростверка-плиты и крена надземной части здания

Принимаемая в каждом конкретном случае точность измерения вертикальных перемещений и крена здания зависит от ряда условий, основные из которых: прогнозируемая расчетами величина деформации, сложность инженерно- геологических условий, величины нагрузок на основание.

В соответствии с требованиями нормативных документов при расчетной величине осадки здания в пределах от 50 до 250 мм при возведении зданий на сжимаемых грунтах допускаемое среднеквадратичное отклонение при определении перемещений не должно превышать +/- 2 мм, допускаемая погрешность также не должна превышать +/-2 мм.

Указанные величины погрешностей соответствуют II классу точности наблюдений за деформациями оснований зданий и сооружений.

Точность измерения крена по с ГОСТ 24846 для жилых и гражданских зданий 0,0001Н, что соответствует +/-20 мм.

2. Рекомендуемые методы измерений перемещений фундамента
высотных зданий и применяемые инструменты

При проведении работ по наблюдениям за деформациями основания здания в соответствии с п.3.3.2 ГОСТ 24846 предусматривается использовать метод геометрического нивелирования, одним горизонтом, способом совмещения по замкнутому ходу.

При использовании метода геометрического нивелирования в соответствии для обеспечения заданной точности необходимо соблюдение условий:

• технические характеристики геодезических приборов должны обеспечивать требуемую точность;

• необходимо применение реек с инварной полосой (одно или двухсторонней);

• число станций незамкнутого хода (от репера до первой осадочной марки должно быть не более 3-х);

• длина визирного луча не более 20 м;

• неравенство плеч (расстояний от нивелира до реек) не более 0,4 м;

• накопление неравенств плеч в замкнутом ходе не более 2,0 м;

• допускаемая невязка в замкнутом ходе (n — число станций) +/-0,5√n , мм.

Передача отметок с репера на осадочные марки предусматривается замкнутым нивелирным ходом от грунтового репера.

Требуемая точность измерения деформаций, надежность получаемых результатов обеспечивается использованием имеющегося в распоряжении исполнителя прецизионного автоматического нивелир Leica NA2 имеющего точность измерений на 1 км двойного хода 0.7/0.3 мм, увеличение оптики 32х.

3. Определение средней осадки и неравномерности осадок фундамента

Выполнение программы Геотехнического мониторинга для высотных зданий , включающей измерение абсолютных величин перемещений фундаментной плиты (ростверка) и крена здания обеспечивается:

• применением высокоточных инструментов с требуемой точностью измерения перемещений осадочных марок от исходной реперной системы;

• жесткой конструктивной схемой здания ( практически недеформируемая ростверк-плита, при которой абсолютные величины перемещений осадочных марок фундаментной плиты определяют положение ее нормали в трехмерной системе координат на отметке верха здания и возможность вычисления абсолютных и относительных величин перемещений как в процессе строительства, так и эксплуатации здания);

• систематическим контролем устойчивости контрольного репера с использованием местной опорной геодезической сети.

Обработка данных, полученных с помощью тахеометра проводится в соответствии с методикой обработки результатов геометрического нивелирования по замкнутому ходу.

Для получения величин деформаций (вертикальных перемещений, относительной неравномерности осадок плиты-ростверка), крена здания предлагается следующая методика.

Исходные (начальные) отметки марок после их установки на поверхности плиты-ростверка до начала возведения каркаса здания:

OM-1 → Н_1,0
ОМ-2 → Н_2,0
ОМ-3 → Н_3,0
ОМ-4 → Н_4,0

Обозначим отметки осадочных марок (ОМ), полученных по результатам измерений в текущем цикле:

ОМ-1 → Н_1i
ОМ-2 → Н_2i
ОМ-3 → Н_3i
ОМ-4 → Н_4i

Абсолютная величина вертикального перемещения марок по отношению к их начальному положению:

ОМ-1: S_1i = H_1i – H_1,0
ОМ-2: S_2i = H_2i – H_2,0
ОМ-3: S_3i = H_3i – H_3,0
ОМ-4: S_4i = H_4i – H_4,0

Средняя величина осадки ростверка-плиты от начала наблюдений:

S_i = (S_1i +S_2i + S_3i + S_4i)/4

Где: ∑H_м0/4 — начальная отметка условной плоскости верха плиты в исходном положении (до начала наблюдений, учитывающая фактическую разницу в начальных отметках осадочных марок).

∑H_мi/4 – то-же, в данном цикле наблюдений.

Относительная неравномерность осадки фундамента по направлению Х (цифровые оси на плане здания), по направлению У (буквенные оси):

где: L_I – расстояние между осадочными марками.

4. Определение крена здания

Учитывая, что монолитный железобетонный ростверк является практически абсолютно жестким телом, имеет место жесткое соединение ростверка с надземной частью здания, по изменению положения ростверка в пространстве, определяется отклонение (крен) его нормали от начального4 положения на отметке верха здания. На приведенной ниже схеме показано, что относительная неравномерность осадок ростверка совпадает с величиной крена его нормали, т.е. крена здания. Смещение точки приложения нормали к плоскости плиты при его перемещении незначительна и им можно пренебречь (на схеме величины осадки краев плиты показаны условно, во много раз больше фактического).

Для определения крена здания по величине неравномерной осадки ростверка необходимо вычислить разность величины осадок по маркам, расположенным по диагоналям и разделить на расстояние между этими марками:

i = ΔS/L

Оценим влияние точности определения вертикальных перемещений осадочных марок на точность определения крена здания.

Точность определения вертикальных перемещений принята (для II класса) +/-2 мм, при которой точность определения относительной неравномерности осадок ростверка по диагонали фундаментной плиты при расстоянии между осадочными марками, например 60000 мм:

δ =4 мм /60000 мм = 0,0000666

При расстоянии от верха фундаментной плиты до верха перекрытия последнего этажа 200 м погрешность в определении перемещения составит:

0,0000666*200000 = +/-13,3 мм,

что превышает требуемую точность измерения крена здания 0,0001Н = 20 мм

Рис. 1 — Определение величины и направления крена здания

Направление и величина крена здания определяется путем сложения векторов перемещений, определенных по маркам, расположенным по диагоналям прямоугольника.

5. Применение предлагаемой методики

Приведенная выше методика применяется при обработке результатов наблюдений за деформациями 45-ти этажного строящегося здания в г. Астане.

Учитывая конструктивные особенности возводимого здания — значительную пространственную жесткость как ростверка, так и надземной части здания из возможных типов осадочных марок, предназначенных для определения вертикальных перемещений фундаментов как наиболее надежные выбраны марки, устанавливаемые на фундаменте.

Марки выполняются из металлических пластин толщиной 6-8 мм размером 220×220 мм, с круглой головкой. В дальнейшем, перед началом выполнения работ по устройству конструкций пола предполагается на пластину установить (приварить) металлическую защитную трубу высотой до уровня чистого пола с открывающейся защитной крышкой.

Установка марок на вертикальной плоскости здания для определения крена не предусматривается, так как метод проецирования для высотных зданий не обеспечит необходимой точности.

Предлагаемая методика определения крена здания по результатам наблюдений за осадочными плитными марками приведена ниже.

Исходная реперная система — буронабивные сваи d600 мм с опиранием низа свай на щебенистый малосжимаемый грунт. Количество глубинных реперов на территории комплекса 3 шт, что дает возможность выполнять проверку устойчивости реперной системы. Конструкция верхней части реперов обеспечивает их сохранность на период проведения работ, исключает осадки и влияние морозного пучения грунта на их положение относительно вертикали.

Репера расположены за пределами зоны влияния напряженно-деформированного состояния основания возводимого здания. Данных измерений по установленным маркам достаточно для определения пространственного положения ростверка-плиты и неравномерности его осадок.

По схеме устройства реперная система при наличии в основании репера малосжимаемых щебенистых грунтов обеспечивает II класс точности проведения измерений (+/-2 мм).

1. ГОСТ 24846-81 Грунты. Методы измерения деформаций оснований зданий и сооружений , -М:, 1982 г.

Источник

Измерения крена способом вертикального проецирования

Комбинированный метод.

Если концевые точки створа включа­ют в триангуляционную сеть, то применяют комбинированный метод на­блюдения за смещениями (рис. 134 г). Этот метод совмещает в себе на­дежность метода триангуляции и простоту створного метода. Каждый цикл створных наблюдений сопровождается определением координат концевых точек вспомогательного створа 1-Н и измерением отклонения С₁, С₁ и С_з от него наблюдаемых точек 1, 2 и 3.

Если смещения концевых точек створа по оси X не превышают по­грешностей определения координат в триангуляции, то смещения наблю­даемых точек находят створным методом по формуле. В противном случае в результаты измерения отклонений наблюдаемых точек от створа вводят поправки.

Измерение кренов зданий и сооружений

Крен зданий и сооружений измеряют несколькими способами:

— вертикального проецирования с использованием отвеса, теодолита или прибора оптического вертикального визирования;

Общая схема измерения крена (отклонения) способом вертикального проецирования состоит в перенесении по ответной линии верхней точки В здания (рис. 135 а) на исходную горизонтальную плоскость. Отклонение точки В / от исходной точки А здания характеризует линейную l и угловую α величины крена.

Самым простым способом проецирования является использование тяжелого отвеса. Его закрепляют в точке В, а отклонения нити отвеса от исходной точки А здания измеряют миллиметровой линейкой в двух взаимно перпендикулярных плоскостях и вычисляют общую линейную величину крена по формуле

l =

Относительную величину крена вычисляют по формуле

i =

где h – высота здания, м.

Угловую величину крена α, которая определяют его направление, вычисляют по формуле

α = arctg

В связи с неудобствами, связанными с закреплением отвеса в верхних точках, а также влиянием действия ветра на величину отклонения от вертикали его используют при высоте зданий и сооружений до 15 м.

Рис. 135 Схема измерения кренов зданий и сооружений:

а – общий случай способа вертикального проецирования;

б – с помощью теодолита;

в – способом горизонтальных углов;

г – способом угловых засечек

При большей высоте, а также для повышения точности измерения крена вертикальное проецирование верхних точек выполняют с помощью теодолита. Его устанавливают над постоянным знаком на продолжении стены здания примерно на расстоянии двойной его высоты. Выбирают в верхней части стены хорошо различаемую точку В (рис. 115 б), наводят на неё зрительную трубу, которую затем опускают вниз. По вертикальной нити зрительной трубы на миллиметровой линейке берут отсчет, измеряя тем самым отклонение точки В’ от исходной точки А на величину ΔY. Ана­логично измеряют отклонение ΔХ в другой вертикальной плоскости и вы­числяют общую линейную l и угловую а величины крена по формулам.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Технологии геодезического контроля кренов сооружений

4.4. Технологии геодезического контроля кренов сооружений

4.4.1. Общая технологическая схема
контроля кренов сооружений

Контроль крена высотных сооружений, а также вертикальности некоторых видов агрегатов с вертикальной продольной осью и других видов технологического оборудования промышленных предприятий имеет специфические особенности среди других видов контроля геометрических параметров. К таким особенностям, прежде всего, относят специфические способы, методы и средства измерений, присущие, как правило, контролю данного типа параметров.

Технология геодезического контроля кренов сооружений и изделий машиностроения состоит из трех основных процессов:

1) проектирование технологии контроля, включающее согласно разделу 3:

— выбор объектов, параметров и процессов контроля, назначение точности измерения параметра;

— выбор метода контроля параметра с разработкой схемы размещения геодезической контрольно-измерительной аппаратуры (КИА), геометрической схемы контроля параметра, расчетом точности измерения элементов схемы, назначением метода и средств измерений;

— разработку методов обработки результатов измерений и форм отчетной документации по контролю крена;

2) проведение геодезического контроля крена на объекте, включающее:

— изготовление и установку при необходимости геодезической КИА;

— подготовку персонала, приборов, приспособлений;

— разработку правил техники безопасности и пожарной безопасности при проведении контроля;

3) обработка и анализ результатов измерений, включающая:

— проверку и обработку первичной документации;

— уравнивание результатов измерений;

— вычисление частных и полных кренов и, при активном контроле, – их приращений;

— построение графиков кренов;

— заполнение паспорта контроля или составление технического отчета.

4.4.2. Выбор объектов, параметров, разработка
процессов контроля, назначение точности

Общие принципы, технологическая схема проектирования, а также выбор объектов, параметров, процессов проектирования кренов технических объектов изложены подробно в разделе 3; они присущи большинству объектов промышленных предприятий по единой номенклатуре отраслей [82], поэтому подробно здесь не излагаются. К высотному типу относят сооружения и агрегаты с высоким центром тяжести.

Наиболее часто контроль кренов осуществляют для следующих типов высотных сооружений:

— многоэтажных бескаркасных зданий с несущими стенами из крупных панелей, крупных блоков или кирпичной кладки;

— рабочих зданий и силосных корпусов элеваторов;

— дымовых и вентиляционных труб ТЭС, АЭС и других предприятий;

— бетонных плотин, подпорных стенок и других жестких высотных сооружений;

— защитных оболочек реакторов АЭС;

— многоэтажных этажерок для установки технологического и энергетического оборудования;

— телебашен, вышек антенн, вышек радиорелейных линий и других антенных сооружений связи;

— промежуточных, анкерных, анкерно-угловых, концевых, специальных переходных опор ЛЭП;

— бурильных вышек для разведки и добычи нефти и газа;

— угольных башен коксохимических заводов;

— водонапорных башен и градирен;

— резервуаров жидкого топлива, силосов сыпучих материалов и других высоких емкостных сооружений.

Контроль вертикальности в процессе монтажа и ремонтных работ осуществляют для следующих видов оборудования промышленных предприятий:

— вертикальных гидравлических турбин;

— вертикальных насосов большой производительности;

— мощных вертикальных прессов;

— рефтикационных колонн и др.

Контроль приращений крена (наклона в процессе эксплуатации продольной вертикальной или горизонтальной оси технического объекта) может производиться не только для перечисленных выше объектов, но и для жестких сооружений с невысоким центром тяжести, но являющихся основанием для крупногабаритного оборудования с продольной горизонтальной осью. К таким сооружениям относятся фундаменты под турбоагрегаты тепловых и атомных электростанций, фундаменты под мощные циркуляционные насосы, насосные станции и другие технические объекты, наклон которых ограничен условиями работы не самого сооружения, а размещенного на них оборудования.

Здесь следует лишь заметить, что при выборе технических объектов, подлежащих контролю кренов, руководствуются нормативными документами [46, 47, 58, 70, 121, 143, 146, 147, 172, 189, 197 и др.], материалами технического задания или технического проекта и требованиями по выбору объектов и параметров, изложенным в разделе 3.

В современной литературе нет четкого разграничения понятий «крен»
и «вертикальность». В строительстве и машиностроении при монтаже конструкций и агрегатов чаще используется термин «вертикаль», при эксплуатации объектов чаще используется термин «крен». Однако некоторые тонкости в различии терминов следует обозначить.

Термин «крен» (энциклопедия Кирилла и Мефодия) означает поворот объекта относительно продольной оси. Так как ось объекта может быть горизонтальна, вертикальна или наклонна, то и понятие крена шире, чем понятие вертикальности. Для высотных сооружений и оборудования, продольная ось которых должна совпадать с вертикалью, крен и вертикальность следует понимать как слова-синонимы. Крен сооружения может быть выражен в линейной, угловой и относительной мере.

Под линейной величиной абсолютного крена высотного объекта понимается [189] отрезок между проекциями центра подошвы фундамента и положения центра верхнего сечения сооружения на координатную (горизонтальную) плоскость.

Абсолютный крен в угловой мере определяется острым углом между отвесной линией в центре подошвы фундамента и положением оси сооружения.

Относительным креном называют отношение абсолютного крена сооружения к высоте сооружения.

Для оборудования с вертикальной продольной осью вместо термина «крен» употребляют термин «вертикальность» и этот геометрический параметр выражают в относительных величинах.

В технической литературе по определению кренов сооружений встречаются также понятия «приращение крена», «искривление оси объекта». Понятие «приращение крена» используется при активном контроле объекта, когда необходимо определять не только положение оси объекта относительно вертикали, но и относительно предыдущего ее положения. Приращение крена выражается в тех же величинах, что и крен. Искривление оси объекта характеризуется геометрическим параметром «прогиб», который может быть выражен в абсолютной или относительной мере.

Проектирование процессов контроля по объемной, временной характеристике и управляющему воздействию, а также назначение категории контроля выполняют в специальной ведомости (образец см. в табл. 3.5). На основании выбранных для каждого объекта категории и процессов контроля назначают точность контроля параметра. Виды и предельные значения контролируемых параметров технических объектов предприятия, если они не назначены в техническом проекте, выбирают из СНиП [197], инструкций на монтаж или эксплуатацию оборудования.

4.4.3. Выбор метода контроля параметра с разработкой
геометрической схемы контроля параметра, схемы размещения геодезической КИА, расчетом точности измерения элементов
схемы, назначением средств измерений

Практика геодезических работ по контролю вертикальности или крена технического объекта показывает, что основными факторами, влияющими на выбор метода и средств измерений, являются конструктивные особенности технического объекта, требуемая точность и периодичность контроля параметра, условия измерений.

К конструктивным особенностям объекта относят форму, размеры и материал конструкции, которые влияют на выбор мест и при необходимости закрепления контролируемых точек, а также выбор схемы и метода контроля параметра. Для контроля объектов, имеющих одинаковые поперечные сечения по всей длине, применяют, как правило, более простые схемы и методы измерений по сравнению с объектами сложной формы. Размеры объекта влияют на выбор средств измерений, а материал конструкции – на выбор и закрепление контролируемых точек.

Требуемая точность и периодичность контроля параметра в совокупности с размером объекта являются определяющими факторами при выборе метода и, особенно, средств измерений. При активном периодическом контроле параметра точность измерений значительно увеличивается по сравнению с летучим пассивным контролем; следовательно, требования к выбору и закреплению контролируемых точек, а также к выбору средств измерений будут возрастать.

Условия измерений также оказывают значительное влияние на выбор методов и средств измерений. Предпочтение при прочих равных условиях следует отдавать тем методам и средствам измерений, которые не требуют значительных затрат на преодоление влияния температурных, вибрационных, ветровых и других воздействий на измерения.

Большое значение при измерении кренов технических объектов придается выбору и закреплению геодезической контрольно-измерительной аппаратуры.

КИА для измерения кренов технических объектов подразделяют на две группы: опорные знаки и контрольные точки. Опорные знаки – исходные неподвижные знаки, закладываемые на территории промплощадки или внутри помещения и служащие для измерения кренов. Как правило, опорные знаки закладывают в тех случаях, когда проектом предусматривается активный контроль крена объекта в течение длительного времени. При пассивном контроле крена, который применяется при монтаже или ремонте технологического оборудования, а также отдельных видов сооружений, закладка постоянных опорных знаков не имеет смысла.

Контрольными точками (точками съема первичной информации) при измерении крена могут служить как характерные точки самого объекта, так и специальные деформационные знаки – стенные или плитные марки и знаки, устанавливаемые на конструкциях здания, сооружения, фундаментах оборудования или на самом оборудовании и перемещающиеся вместе с ними. Контрольные точки первого типа применяют, как правило, при пассивном контроле параметра объекта и четких геометрических формах самого объекта, позволяющих идентифицировать положение точки с положением проверяемой оси объекта с точностью, не вносящей значительных ошибок в результат контроля параметра (например, точки шейки вала гидроагрегата или насоса, точки на образующей дымовой трубы на одном поперечном сечении и т. п.). Контрольные точки второго типа применяют при активном контроле параметра и отсутствии четкой идентификации положения точки с осью объекта. В этих случаях на конструкциях объекта предусматривают маркировку или закладку контрольных знаков, по которым выполняется съем первичной информации (например, закладка осадочных марок в цоколь дымовой трубы для контроля параметра «приращение крена» и т. п.). Выбор конкретного способа закрепления исходной основы и контрольных точек решается в процессе проектирования с учетом конструктивных решений объекта, метода контроля по управляющему воздействию, требуемой точности измерений.

Общие правила выбора схемы, методов и средств измерений кренов и их приращений, вертикальности или прогибов технических объектов изложены
в разделе 3. Однако при выборе конкретного метода и средства измерений важно учитывать уже наработанные практикой рациональные решения, краткое описание которых изложено ниже.

В практике геодезических работ по контролю кренов и их приращений наибольшее распространение получили механические, гидростатические, оптические и стереофотограмметрические методы измерений; причем использование конкретных методов, как правило, определяется типами технических объектов, видом геометрического параметра и условиями измерений.

В механических методах измерений применяют механические средства измерений и специальную оснастку. К самым распространенным механическим средствам измерений относят отвесы с мерительным инструментом, приспособлениями для их подвески и устройством для гашения колебаний. Точность измерений кренов отвесами может колебаться в широких пределах – от 1 : 1 000 (легкий строительный отвес для выверки строительных элементов по вертикали) до 1 : 500 000 (тяжелые отвесы для контроля центровки валов вертикальных гидротурбин и насосов). Точность измерений кренов зависит от многих факторов, основными из которых являются влияние воздушных потоков на отклонение нити отвеса, точность мерительного инструмента и приспособлений, качество используемой нити (струны), высота проецирования.

Механические методы измерений с помощью отвесов, как правило, применяют в закрытых помещениях, где отсутствуют сильные воздушные токи. Наибольшее распространение эти методы измерений нашли при выполнении контроля вертикальности крупных вращающихся агрегатов с вертикальной продольной осью – гидравлических турбин, насосов большой производительности, сепараторов и других изделий аналогичного типа, а также контроля крена и изгиба высотных бетонных плотин. В указанных случаях эти методы и средства измерений имеют преимущество по сравнению с другими методами по точности и возможности автоматизации измерений.

Самые высокие точностные требования предъявляются к выверке вертикальных валов гидроагрегатов. По техническим условиям монтажа вертикальные валы гидроагрегатов центрируются так, чтобы относительное отклонение оси от вертикали не превышало (на 1 м длины вала).

Предварительное центрирование вала производят с помощью рамного уровня. Более точное центрирование производят по струнным отвесам [239]. Для этого к специальной крестовине, закрепленной на верхнем фланце вала, навешивают четыре струны по перпендикулярным осям х и у (рис. 4.4.1).

Рис. 4.4.1. Контроль вертикальности вала гидротурбины:

а) схема расположения отвесов; б) измерительная вилка

Струны рекомендуется навешивать ближе к валу и, по возможности, на равном расстоянии от него. Для струн диаметром 0,3 мм применяются отвесы массой 5 – 6 кг. После навески струн и установки успокоительных сосудов с маслом собирают электрическую схему измерения вертикальности вала. Зажимы источника постоянного тока присоединяют к крестовине и через милливольтметр
к валу турбины. Сеть будет разомкнутой, так как между крестовиной и фланцем вала помещают изоляционную прокладку.

В измеряемых сечениях на вал надевают специальные упорные хомуты. Они служат для точной установки специальной вилки с микрометрической головкой из набора штихмасса (рис. 4.4.1, б). Опираясь вилкой на хомут и прижимая ее к валу, нащупывают кратчайшее расстояние от вала до струны. Длину измерительной вилки изменяют поворотом барабана микрометра. Точность отсчитывания по измерительной вилке 0,01 мм. Нужную степень касания головки штихмасса и струны определяют по слабому отклонению стрелки милливольтметра (2 – 3 деления) или при пользовании наушниками – слышимым шорохом.

Более подробные сведения о механических средствах измерений и их применении приведены в литературных источниках [4, 7, 8, 10, 1, 187, 188, 189, 1, 255, 256 и др.].

Методы и средства геометрического и гидростатического нивелирования применяют для контроля крена (наклона) машин и агрегатов с горизонтальной продольной осью, а также контроля первоначального положения (приращений крена) бетонных сооружений (промышленных труб, бетонных блоков плотин и т. п.). Технология проектирования и выполнения работ этими методами подробно изложены в разделе 4.2. Здесь же, на примере, рассмотрим методику определения параметра.

Метод высокоточного нивелирования [189] основан на высокоточном геометрическом или гидростатическом нивелировании осадочных марок.

Последние закладываются на концах двух взаимно перпендикулярных диаметров выбранного цокольного сечения (контрольного сечения), примерно на одном горизонте.

Примечание. На сооружениях с квадратным и прямоугольным сечением осадочные марки для определения крена рекомендуется закладывать соответственно по углам и посередине сторон цокольного сечения.

По рекомендациям [189], в каждом цикле наблюдений производят высокоточное нивелирование осадочных марок. Чтобы уменьшить влияние систематических ошибок на результаты измерений, геометрическое нивелирование каждый раз выполняют по одной и той же схеме хода, опирающегося не менее чем на три репера, заложенных вне осадочной зоны специально для измерения осадок.

По разностям осадок и (осадка точки сооружения представляет собой разность отметок этой точки в двух циклах наблюдений) диаметрально противоположных марок 1 и 3, 2 и 4 (рис. 4.4.2) между циклами наблюдений находят приращения частных кренов в створах каждого диаметра:

; , (4.4.1)

где Нк – высота сооружения над контрольным сечением, определяемая тригонометрическим нивелированием;

d – диаметр этого сечения или непосредственно приращения полных поперечных кренов:

, (4.4.2)

где H – высота сооружения от подошвы фундамента.

Приращение полного крена сооружения можно получить по формуле

. (4.4.3)

Направление крена определяется путем ориентирования одного из указанных диаметров при закладке осадочных марок по направлению «пункт опорной сети – центр контрольного сечения», а при отсутствии опорной сети – по магнитному меридиану.

Точность определения приращения крена способом нивелирования осадочных марок зависит от погрешности измерения превышения тh на нивелирной станции, т. е.

. (4.4.4)

Как следует из этой формулы, для увеличения точности определения приращения крена необходимо использовать метод гидростатического нивелирования.

Рассмотренный способ очень прост как в про-изводстве геодезических измерений, так и в вычислениях. Он требует минимальных затрат вре-мени. Однако способ позволяет получать только приращения крена жесткого сооружения, он не позволяет выявить ту часть крена, которая вызвана дополнительным моментом вследствие самого наклона сооружения, изгиба (например, от прогара промышленных дымовых труб) и других деформаций верхней части сооружения. Поэтому он может быть рекомендован как вспомогательный, дополняющий основные способы.

Оптические методы измерений являются самыми распространенными при контроле кренов агрегатов и сооружений. Среди них особое место занимают оптические способы определения кренов сооружений башенного типа [189], как наиболее часто встречающихся сооружений с продольной вертикальной осью.

К этим способам относят: способ координат, способ направлений (горизонтальных углов), способ малых углов, способ вертикального проектирования, способ зенитных расстояний. Основными средствами измерений в оптическом методе являются теодолиты, тахеометры и приборы вертикального проектирования. Каждый из перечисленных способов обладает присущими ему положительными и отрицательными свойствами как в плане производства, так и обработки результатов измерений. Поэтому описание схемы контроля крена и обработки результатов измерений по каждому способу рассмотрены в дальнейшем совместно.

Способ координат [189] заключается в определении в каждом цикле наблюдений прямой угловой засечкой одновременно с трех-четырех пунктов наблюдения координат центра верхнего, а в начальном цикле, и координат центра нижнего сечений сооружения в принятой системе координат.

Для этого в первом цикле на каждом из трех-четырех пунктов наблюдения, являющихся пунктами геодезической основы, созданной методом триангуляции или полигонометрии, измеряются способом круговых приемов горизонтальные углы между направлениями на соседние пункты (или на один пункт) наблюдения и на центры верхнего c и нижнего b сечений, выбранных на возможно большем удалении друг от друга по высоте, но хорошо видимых со всех пунктов наблюдения (см. рис. 4.4.3, а). За направления на центры указанных сечений принимаются средние из значений направлений на центры соответственно верхних и нижних, близких по высоте непосредственно наблюдавшихся сечений.

Рис. 4.4.3. Способ координат:

а) схема измерений; б) определение величины и направления крена

По результатам наблюдений первого цикла можно определить координаты центров среднего верхнего и среднего нижнего сечений в первом цикле.

В каждом из последующих циклов на тех же пунктах наблюдений измеряются горизонтальные углы между направлениями на соседние пункты наблюдения и на центр того же верхнего пояса, что дает возможность определить координаты центра верхнего пояса в каждом цикле.

Для промышленных дымовых труб в каждом цикле наблюдений необходимо определять еще и координаты центров поясов изгибов ствола (если имеются искривления), что требует измерения направления и на центр пояса изгиба.

По координатам центра верхнего среднего пояса в каждом цикле, а в начальном цикле и центра нижнего среднего сечения, можно найти величину и направление абсолютного крена сооружения в каждом цикле и его приращения между циклами наблюдений (см. рис. 4.4.3, б).

В случае наблюдений на визирные марки по найденным прямой угловой засечкой координатам этих марок можно аналогичным образом получить величину и направление абсолютного крена в каждом цикле при условии, что наблюдаемое сооружение имеет постоянное поперечное сечение, а марки на верхних и нижних сечениях установлены на стороне, обращенной к пунктам наблюдения так, чтобы существовала одновременная видимость на них со всех пунктов наблюдения.

Обработка результатов измерений по способу координат включает первичную обработку материалов измерений и вычисления величины и направления крена сооружения.

Первичная обработка материалов аналогична обработке результатов угловых измерений в триангуляции. Сначала производят обработку журнала измерений с вычислением приведенных к нулю направлений на левый и правый края сечения трубы, затем вычисляют направления на середины сечений.

Вычисление величины и направления крена в способе координат производится поэтапно. В первом цикле по результатам измерений горизонтальных направлений на центры верхних и нижних поясов и по известным координатам (из каталога координат опорных пунктов) пунктов наблюдения вычисляют координаты центра С верхнего среднего пояса:

,

, (4.4.5)

,

(4.4.6)

По аналогичным формулам вычисляются координаты нижнего среднего пояса.

В этих формулах:

– координаты пунктов наблюдения I и II;

– горизонтальные углы при пунктах I и II между направлением на пункт II и на пункт I соответственно (см. рис. 4.4.3, а) и направлением на центр верхнего среднего или нижнего среднего сечения.

Таким образом, по формулам (4.4.5) и (4.4.6) находят координаты центра верхнего (или нижнего) пояса, определенного с пунктов I и II прямой угловой однократной засечкой, которую можно назвать 1-й комбинацией однократной засечки. Полученные по этим формулам значения координат усредняют.

По средним значениям координат из 1-й комбинации по формулам обратной задачи находят дирекционный угол направления и величину частного крена сооружения в первом цикле:

(4.4.7)

, (4.4.8)

где – координаты верхнего и нижнего поясов в первом цикле.

Линейную величину полного крена (абсолютного) в первом цикле из 1-й комбинации (см. рис. 4.4.3, б) вычисляют по формуле:

, (4.4.9)

где Н – высота сооружения от подошвы фундамента, известная из паспорта сооружения.

– превышение центра с верхнего пояса над центром b нижнего пояса, определяемое по формуле

(4.4.10)

Аналогично определяют значение абсолютного крена из 2-й комбинации однократной засечки.

В качестве окончательного значения абсолютного крена в первом цикле принимается среднее весовое из двух значений крена, найденных по двум комбинациям:

, (4.4.11)

где – веса значений абсолютного крена из 1-й и 2-й комбинации, вычисляемые по формулам:

. (4.4.12)

В последней формуле:

(4.4.13)

Оценку точности определения абсолютного крена можно выполнить по формуле:

, (4.4.14)

(4.4.15)

, (4.4.16)

где – средняя квадратическая погрешность измерения угла.

Определение координат центра пояса изгиба промышленной дымовой трубы выполняют по формулам, аналогичным формулам (4.4.5), а величину смещения его относительно центра подошвы фундамента О и направления смещения – по формулам обратной задачи.

Более строгое вычисление координат центров сечений сооружения, определяемой многократной засечкой, осуществляется по методу наименьших квадратов. Для засечки, изображенной на рис. 4.4.3, а, необходимо составлять по четыре уравнения погрешностей на каждую определяемую точку (центр сечения) и по два нормальных уравнения, неизвестными в которых являются поправки к приближенным значениям координат центров верхнего и нижнего сечений (а также пояса изгиба для промышленных дымовых труб).

Способ координат целесообразно применять при долговременном активном контроле крена достаточно больших групп сооружений башенного типа большой высоты. К недостаткам способа следует отнести следующие факторы:

1) необходимость создания плановой исходной основы достаточно высокой точности с обязательной видимостью между пунктами;

2) необходимость высокой сохранности пунктов в течение длительного времени;

3) большой объем вычислительных работ по сравнению с другими способами измерений.

Способ направлений (горизонтальных углов) [189] состоит в определении составляющих абсолютного крена и его величины в первом цикле и приращений крена в последующих циклах по результатам измерений горизонтальных направлений на центры верхнего среднего и нижнего среднего сечений в первом цикле и на центр только верхнего среднего сечения в последующих циклах (направления образуют прямую засечку).

За начальное направление при измерении этих направлений принимается направление на один из двух (для каждого пункта наблюдения) ориентирных пунктов (рис. 4.4.4). В первом цикле на каждом из трех-четырех пунктов наблюдения одновременно измеряют способом круговых приемов горизонтальные углы между направлением, принятым за начальное, и направлениями на центры верхнего и нижнего поясов (рис. 4.4.4). Постоянство значения угла между направлениями на ориентирные пункты служит контролем измерения горизонтальных углов.

Рис. 4.4.4. Способ направлений

Способ направлений предполагает выполнение на каждом пункте наблюдения такой же совокупности измерений, что и способ координат. Различие же способов заключается в процедуре определения крена. Для определения величины и направления крена по способу направлений сначала вычисляют значения частных поперечных кренов , каждое из которых представляет собой смещение (в горизонтальной плоскости) центра верхнего сечения относительно центра нижнего (рис. 4.4.5):

. (4.4.17)

В этих формулах:

– горизонтальные углы между направлениями на центры верхнего и нижнего средних сечений в пунктах I и II;

– горизонтальные расстояния от пунктов I и II до центра нижнего пояса, которые достаточно определить с точностью 1/2 000.

Величины полных поперечных кренов определяют по формулам:

(4.4.18)

где Н – высота сооружения от подошвы фундамента;

– превышение верхнего сечения над нижним, определенное по зенитным расстояниям.

По составляющим крена вычисляют величину полного (абсолютного) крена в первом цикле из первой комбинации засечки (с первой пары пунктов наблюдения):

(4.4.19)

где угол засечки

. (4.4.20)

Аналогично определяют значение полного крена из второй комбинации засечки (см. рис. 4.4.4).

Из двух значений находят среднее, принимаемое за окончательное значение абсолютного крена в первом цикле:

. (4.4.21)

В последующих циклах находят приращения полных поперечных кренов по формулам, аналогичным формулам (4.4.17) – (4.4.21).

Точность определения составляющих приращения крена из первой комбинации в каждом цикле оценивают по формулам:

, (4.4.22)

где – средняя квадратическая погрешность (СКП) измерения горизонтальных углов.

По таким же формулам определяют СКП приращения полных поперечных кренов из второй комбинации. Точность определения приращения полного крена из каждой комбинации можно оценить по формулам:

(4.4.23)

Затем определяют СКП среднего значения приращения крена в i-м цикле:

. (4.4.24)

Оценка точности определения составляющих и величины полного крена
в первом цикле выполняется по аналогичным формулам.

Способ направлений удобен для систематических наблюдений за приращениями крена. Он позволяет производить измерения с опорных пунктов, не связанных между собой, что создает более благоприятные условия для выбора направлений измерений и закладки знаков. Однако, как и способ координат, требует закладки и длительной сохранности опорных пунктов для наблюдений и значительного объема вычислений.

В способе малых углов [189] производят измерения на каждом из трех-четырех пунктов наблюдения малого горизонтального угла между направлениями на центр своего (для данного пункта) наиболее низкого пояса и центр верхнего пояса (рис. 4.4.6), а также зенитных расстояний этих направлений. При этом пункты наблюдений могут быть не связаны друг с другом. В отличие от предыдущего способа, за начальное направление при измерении малого угла принимают направление на центр своего нижнего сечения, так что установки ориентирных пунктов в данном случае не требуется.

Рис. 4.4.6. Способ малых углов

По результатам измерений малого угла между направлениями на центры верхнего и нижнего поясов и зенитных расстояний этих направлений вычисляют сначала величины частных и полных поперечных кренов, а затем значение полного крена из двух комбинаций по формулам (4.4.17) ‑ (4.4.20).

Величину и направление полного крена по данным наблюдений способом малых углов можно определить расчетно-графическим путем при наличии плана территории масштаба 1 : 500 – 1 : 1 000. На план с показанным на нем сооружением наносят определенные линейкой или угловой засечкой от ближайших предметов и контуров (также показанных на плане) пункты наблюдения. От них проводят направления на центр основания сооружения. От этой точки перпендикулярно направлениям I – O и II – O откладывают в масштабе 1 : 1 или 1 : 2 векторы полных поперечных кренов , соответственно, полученных по формулам (4.4.17) и (4.4.18). Через концы отложенных векторов проводят линии, параллельные направлениям I – O и II – O (рис. 4.4.7). Точка пересечения этих линий с определяет положение конца вектора полного крена Q, т. е. проекцию центра верхнего пояса на горизонтальную плоскость. В случае наблюдений с трех-четырех пунктов величину и направление полного крена находят аналогичным путем по правилу перпендикуляров к направлениям «пункт наблюдения – центр основания» (рис. 4.4.7, б).

а) б)

Рис. 4.4.7. Графическое определение величины
и направления крена в способе малых углов:

а) с двух направлений; б) с трех направлений

Расчетно-графический способ дает меньшую точность по сравнению с аналитическим, однако для практических целей вполне подходит.

Положительным фактором способа, по сравнению с предыдущими, является отказ от закладки ориентирных пунктов, что снижает затраты на контроль и создает большее удобство в выборе направлений. К отрицательному фактору следует отнести снижение точности измерений из-за возможного ошибочного выбора точек на самом объекте в первый цикл измерений.

Способ малых углов целесообразно применять:

1) при летучем контроле сооружений (по точкам ствола сооружения), когда систематические измерения не производились;

2) при активном контроле по маркам, установленным на стволе сооружения (однако это часто невозможно из-за трудности их установки в процессе эксплуатации сооружения).

Способ наклонного проектирования [189] применяется для контроля наклона сооружений небольшой высоты при условии обеспечения видимости и доступа к нижней их части. Способ удобен для выверки вертикальности оси сооружения и в процессе строительства.

С каждого из трех пунктов наблюдения проектируют коллимационной плоскостью теодолита при двух кругах на рейку, установленную горизонтально по касательной к выбранному цокольному сечению, перпендикулярно направлению «пункт наблюдения – центр цокольного сечения», центры верхнего с
и нижнего, цокольного b сечений (рис. 4.4.8).

Рис. 4.4.8. Способ вертикального проектирования:

а) для сооружения с круглым сечением; б) для сооружения
с прямоугольным или квадратным сечением

Для определения точки касания рейки к цокольному сечению визируют при одном круге на левый и правый края цокольного сечения, производя отсчеты по горизонтальному кругу. Установив на последнем среднее из обоих отсчетов (указывающее направление на центр цокольного сечения при этом круге), по биссектору на цокольном сечении фиксируют точку. То же самое делают и при другом круге теодолита. Средняя между двумя точками принимается за искомую. Рейка прикладывается к найденной точке своей серединой перпендикулярно к направлению съемки с помощью угольника и теодолита.

Закрепив рейку в указанном положении, проектируют на ее переднюю плоскость (так же, как и при нахождении точки касания рейки) центр цокольного сечения и отмечают проекцию карандашной меткой.

Далее проектируют центр верхнего сечения: устанавливают на горизонтальном круге отсчет, равный среднему из значений направлений на оба края верхнего пояса, измеренных при двух кругах (это среднее предварительно необходимо исправить поправкой за наклон оси вращения инструмента, для чего должно быть измерено зенитное расстояние соответствующего направления), и, опустив трубу, делают на рейке по биссектору метку.

Проектирование центров обоих сечений выполняют с каждого пункта наблюдения дважды. За окончательную проекцию каждого центра принимают среднюю из двух соответствующих меток. Полученный на рейке отрезок между проекциями центров цокольного и верхнего сечений представляет собой частный поперечный крен в центральной проекции (рис. 4.4.8, а). Искомую величину в ортогональной проекции можно найти по формуле:

(4.4.25)

где R – радиус наблюдаемого цокольного сечения, известный из паспорта, или определяемый путем измерений;

– горизонтальное расстояние от пункта наблюдения I до точки касания рейки.

Полный поперечный крен сооружения определяется по формуле (4.4.18). Требуемое для этого превышение находят по результатам измерений зенитных расстояний направлений на центры наблюдаемых поясов, пользуясь формулой (4.4.10).

Аналогичным образом получают и по результатам проектирования центров тех же поясов с пунктов II и III.

Далее по формуле (4.4.19) вычисляют величину полного крена из 1-й и 2-й комбинаций засечки и принимают за окончательное его значение среднее из двух значений. Оценку точности определения крена выполняют по формулам (4.4.22) и (4.4.23). Направление крена определяют по магнитным азимутам направлений с пунктов наблюдения на центр цокольного сечения.

По результатам проектирования величину и направление крена можно определить и расчетно-графическим путем по аналогии со способом малых углов.

Наблюдения сооружений с постоянным квадратным или прямоугольным сечением можно осуществлять с двух пунктов наблюдения (I и II), находящихся в створах взаимно перпендикулярных соседних граней, образующих одно из ребер сооружения (рис. 4.4.8, б). В цокольной части закрепляют одну под другой
в горизонтальном положении две рейки, приставленные вплотную к цоколю так, чтобы каждая из них одним концом выступала за угол примерно на 0,5 м
(см. рис. 4.4.8, б).

Непосредственно над верхней рейкой на указанном ребре намечают точку, в верхней части того же ребра выбирают заметную точку. При двух положениях вертикального круга проектируют на рейки нижнюю, а затем верхнюю точки, получая в результате на рейках величины частных поперечных кренов в центральной проекций и . Переход к искомым величинам и в ортогональной проекции, как видно из рисунка, можно выполнить по формулам:

(4.4.26)

Дальнейшая обработка результатов наблюдений производится по формулам (4.4.18), (4.4.19), (4.4.22) и (4.4.23). Направление полного крена можно определить по магнитным азимутам направлений засечки.

Для сооружений с переменным квадратным или прямоугольным сечением способ проектирования позволяет выявить только приращения крена между циклами наблюдений при условии обеспечения постоянства установки реек.

Способ зенитных расстояний [189] применяется так же, как и способ проектирования, для контроля с невысокой точностью сооружений небольшой высоты.

В этом способе на продолжениях двух взаимно перпендикулярных диаметров выбранного цокольного сечения необходимо смонтировать четыре кронштейна с устройствами для принудительного центрирования с таким расчетом, чтобы оси вращения теодолитов, установленных на двух диаметрально противоположных кронштейнах, находились на одинаковом удалении от поверхности сооружения. Неравенство этих расстояний не должно превышать 5 мм. На верхнем сечении, в створах диаметрально противоположных кронштейнов или параллельно им, устанавливаются четыре визирные марки, причем на одинаковом расстоянии от краев сечения.

Для наблюдения этим способом сооружений с квадратным и прямоугольным сечением установку кронштейнов и марок целесообразно выполнять соответственно по диагоналям и посередине сторон цокольного и верхнего сечения.

С каждого кронштейна измеряют малое зенитное расстояние направления на свою марку (рис. 4.4.9). Для этого теодолит должен быть снабжен специальной насадкой на объектив или окуляр в виде прямоугольной преломляющей призмы.

Для упрощения определения крена этим способом необходимо при установке диаметрально противоположных кронштейнов обеспечить равенство высот инструмента в пределах 1 см. В этом случае крен сооружения в угловой мере в створе диаметрально противоположных станций может быть определен по простым формулам:

. (4.4.27)

Здесь – составляющие наклона сооружения в створах станций 1-2 и 3-4 соответственно;

– измеренные зенитные расстояния направлений со станций 1, 2, 3 и 4 на марки Ml, М2, МЗ и М4 соответственно.

В случае установки кронштейнов на разной высоте угловая величина крена определяется формулой

(4.4.28)

по результатам наблюдений с одной пары станции и аналогичной формулой с другой пары станций. В последнем выражении:

H – высота сооружения от подошвы фундамента;

i1 и i2 – высота инструмента над уровнем подошвы фундамента соответственно на стан-циях 1 и 2, определяемая как сумма высот оси вращения трубы над соответствующей точкой поверхности земли и этой точки над подошвой фундамента.

Створный крен в линейной мере определяют по формуле

(4.4.29)

Полный крен сооружения Q может быть найден по формуле

(4.4.30)

Для определения направления крена на одно из направлений, определяемое двумя диаметрально противоположными визирными марками, следует передать дирекционный угол с ближайшей стороны геодезической сети. При отсутствии таковой можно одну пару визирных марок и соответствующую пару кронштейнов ориентировать по магнитному меридиану.

Точность определения наклона сооружения в створе диаметрально противоположных станций можно оценить по формуле:

(4.4.31)

где mz – средняя квадратическая погрешность измерения зенитного расстояния.

Оценку точности определения линейной величины составляющей и полного крена можно произвести по формулам:

(4.4.32)

(4.4.33)

Точность способа зависит от точности измерения зенитных расстояний и поэтому в значительной степени ограничивается влиянием вертикальной рефракции и колебаниями изображений наблюдаемых визирных целей, вызываемыми конвекционными токами воздуха в прилегающем к сооружению слое от солнечного нагрева его поверхности (а при наблюдениях промышленных дымовых труб – и от внутреннего нагрева).

Возможность его практического применения ограничивается также необходимостью специального оборудования сооружения кронштейнами и марками, а также необходимостью применения специальных насадок на инструмент.

Способ горизонтальных углов для контроля крена высоких дымовых труб электростанций предложен в работе [95].

На современных электростанциях дымовые трубы сооружают высотой до 350 м. Как правило, дымовые трубы выполняют из монолитного железобетона. По своим конструктивным решениям и эксплуатационным требованиям дымовые трубы относятся к сооружениям высокого уровня ответственности. Фундаменты под трубы выполняют в виде круглой плиты с консолями и стаканом под ствол. Железобетонный ствол трубы имеет коническую форму с постоянным или переменным уклоном образующей наружной поверхности от 1% в верхней части до 10% внизу. Толщина стенок принимается вверху 180 – 200 мм, внизу – 750 – 1 000 мм.

В одноствольных трубах для защиты оболочки ствола от температурных воздействий и вредного действия дымовых газов внутри трубы предусматривается кирпичная футеровка. В последнее время дымовые трубы стали делать многоствольчатыми с независимыми стволами для отвода газа от каждого котла. Такие многоствольчатые трубы выполняют в большинстве случаев с железобетонной наружной несущей оболочкой и металлическими стволами. Реже трубы строят в виде металлической башни, к которой крепятся металлические стволы.

Для высоких дымовых труб геодезический контроль во время их возведения (обеспечение вертикальности ствола) и в период эксплуатации (наблюдения за осадками, креном, изгибом) приобретают особо важное значение.

В процессе строительства контроль крена и передачу осей на монтажные горизонты осуществляют, как правило, приборами вертикального проектирования. В период эксплуатации возможны только косвенные методы измерений. Рассмотренные выше способы контроля крена для таких труб не являются оптимальными. Способ координат требует создания и закрепления точной исходной основы, способ направлений требует также долговременного закрепления исходных пунктов и направлений, способ малых углов и зенитных расстояний не позволяет однозначно определять контрольные точки из цикла в цикл и на промежуточных сечениях, способ наклонного проектирования не применим из-за больших отстояний прибора от объекта.

При плотной застройке и необходимости значительного удаления исходных пунктов для контроля труб большой высоты на электростанциях возникают также значительные трудности, связанные с выбором исходных пунктов, измерением расстояний и дирекционных углов.

В работе [95] автором предложен способ измерения крена, в том числе по нескольким сечениям трубы, исключающим указанные недостатки. Это стало возможным благодаря некоторым конструктивным особенностям дымовых труб и условиям их контроля на электростанции. К таким особенностям следует отнести наличие светофорных площадок на стволе трубы (рис, позволяющих однозначно выбрать сечения и контрольные точки на них; наличие генпланов и исполнительных генпланов электростанции, что позволяет, как показывают дальнейшие расчеты, измерять расстояния от исходных съемочных точек до объекта с графической точностью (порядка 1 : 100 – 1 : 300). Следовательно, отпадает необходимость закладки постоянных и сходных и ориентирных знаков на территории и контрольных марок на стволе трубы. Все это способствует снижению сроков контроля крена и стоимости работ. Целесообразно также в целях снижения точности геодезических измерений и сокращения сроков и стоимости измерений контроль крена производить сочетанием рассматриваемого способа со способом высокоточного нивелирования осадочных марок. В этом случае пассивный контроль осуществляют за стволом трубы по ярусам в первом цикле измерений, а активный контроль за приращением крена осуществляют вместе с контролем абсолютной осадки трубы по осадочным маркам, закладываемым в цоколь. В случаях значительных приращений крена, полученных по осадочным маркам, проводят контрольные измерения по стволу трубы.

По этому способу для измерения крена и изгибов ствола трубы выбирают сначала по генплану, а затем в натуре, два примерно перпендикулярных направления от центра трубы. На этих направлениях намечают стоянки А и B теодолита (рис. 4.4.10), расположенные на удалении 1,3 – 1,8 высоты трубы. Стоянки можно располагать и на крышах капитальных зданий и сооружений, что создает более благоприятные условия для измерений. Места стоянок приборов привязывают к постоянным объектам генплана. Одновременно выбирают ориентирные направления с каждого пункта наблюдений. В качестве ориентирных пунктов могут быть использованы любые однозначно определяемые четкие удаленные объекты (антенны, углы здания, опоры ЛЭП и т. п.), притом разные в каждом цикле измерений.

а) б)

Рис. 4.4.10. Способ горизонтальных углов:

а) вид с фасада; б) вид сверху

Производят разбивку дымовой трубы на ряд участков (ярусов). Границами участков являются контролируемые сечения трубы. Для этой цели лучше всего подходят металлические конструкции светофорных площадок, расположенных на стволе дымовой трубы через 30 – 60 м. Число контрольных ярусов определяется при проектировании контроля (как правило, не более 3). На каждом сечении выбирают контрольные точки на образующей трубы. В качестве контрольных точек берут либо пересечение образующей ствола трубы с проекцией видимых крайних укосин светофорной площадки, либо пересечение горизонтальной нити сетки нитей зрительной трубы теодолита, предварительно наведенной на верхнюю грань перил светофорной площадки, с образующими ствола трубы.

Для каждой трубы ТЭС составляется схема измерений с указанием на ней мест стоянок теодолита с привязкой их к существующим зданиям и сооружениям, ориентирных пунктов и зарисовкой контролируемых сечений и точек на стволе трубы.

Измерения горизонтальных углов выполняют способом круговых приемов отдельно по каждому сечению, начиная с ориентирного направления, выбранного в данном цикле измерений. Измерение вертикальных углов на сечения производят с низкой точностью (до минут), так как они необходимы только для вычисления поправок за наклон прибора. Отметки сечений берут из чертежей.

После окончания измерений на генплан или исполнительный генплан (если сооружения построены с отступлением от проекта) графически наносят по данным привязки точки стояния теодолита А и В. С помощью транспортира и масштабной линейки измеряют дирекционные углы и расстояния от центра трубы до точек стояния теодолита либо определяют их по координатам точек.

Величины частных кренов (рис. 4.4.11) с точек А и В вычисляют (для всех ярусов трубы относительно нижнего сечения) по формуле:

, (4.4.34)

где , (4.4.35)

– частный крен любого яруса относительно нижнего сечения трубы;

– расстояние от точки стояния теодолита до центра трубы;

– средние отсчеты по горизонтальному кругу на контрольные точки соответствующего сечения трубы;

1, 1′ – то же, на точки нижнего сечения трубы.

Полную величину крена и его составляющих по осям x и y для каждого сечения определяют графическим способом (см. рис. 4.4.11).

Требуемую точность измерения расстояний и углов рассчитывают исходя из формулы (4.4.34). Продифференцировав ее по , перейдем к погрешностям:

. (4.4.36)

Принимая принцип равных влияний погрешностей измерений, получим

, (4.4.37)

(4.4.38)

. (4.4.39)

Пример. Пусть согласно рис 4.4.10, а также реальных характеристик дымовой трубы и условий контроля, имеем: ; (наименьшая высота яруса трубы, 240 – 180 = 60 м), d = 1,5 H =
= 1,5 * 240 м = 360 м, (под таким углом видна величина допустимого крена наименьшего яруса трубы с расстояния 360 м); а также, учитывая, что погрешность полного крена слагается из погрешностей двух частных кренов, получим:

1) при пассивном контроле (см. формулы (3.1), (4.4.38) и (4.4.39))

(4.4.40)

. (4.4.41)

2) при активном контроле (см. формулы (3.1), (3.3), (4.4.38) и (4.4.39))

. (4.4.42)

. (4.4.43)

Следовательно, зная расстояния с точностью порядка 1 : 100, можно не производить линейные измерения на местности и не закладывать постоянные пункты для наблюдений.

Пример выполнения работ по рассмотренному способу контроля крена приведен в [116].

Способ оптической вертикали применяется для передачи осей по вертикали, выверке конструкций и контроле кренов сооружений, агрегатов и оборудования с продольной вертикальной осью. Наибольшее применение он находит при контроле объектов одного поперечного сечения и в стесненных условиях, когда оптические способы измерений с применением теодолитов затруднительны.

В способе оптической вертикали применяют уровенные и маятниковые зенитприборы и надирприборы, а также различного рода визирные марки, палетки, шкалы и другие мерительные инструменты и приспособления. Диапазон приборов достаточно широк по точности и дальности действия. Для контроля кренов высоких сооружений наибольшее применение нашли зенитприборы PZL, созданные предприятием «Карл Цейс» (ГДР). Из опыта установлено, что при высоте до 100 м инструментальная точность зенитприборов может быть выражена уравнением

. (4.4.44)

Однако реальная точность из-за ошибок центрирования, вспомогательного мерительного инструмента, внешних условий составляет 1 мм на 100 м высоты. Для контроля кренов продукции машиностроения применяют, как правило, оптические центрирующие приборы, дальность действия которых значительно меньше, но и меньшее расстояние ближайшей фокусировки.

Способ редуцирования измеренных расстояний. Данный способ стал возможен благодаря созданию электронных тахеометров с опцией DR (измерения без отражателя). Этими приборами можно проводить измерения там, где нет возможности или опасно устанавливать отражатель. Круг сооружений, где целесообразно применять эти приборы по техническим и экономическим соображениям, еще не полностью определен, так как дальность их действия, допускаемые углы наклона к поверхностям, виды поверхностей еще не совсем изучены. Однако несомненно, что такие измерения найдут широкое применение на контроле вертикальности стенок многочисленных вертикальных стальных резервуаров предприятий нефтяной, нефтеперерабатывающей, химической и нефтехимической промышленности, наружных панельных стен больших производственных и гражданских зданий, высоких подпорных стенок и других объектов, где, как правило, необходим пассивный контроль параметров объектов со множеством контролируемых точек, расположенных в труднодоступных местах.

Суть измерений заключается в следующем (рис. 4.4.12). Сначала на нижнем сечении контролируемого объекта с помощью рулетки и, если необходимо, нивелира наносят метки, определяющие места прохождения вертикальных сечений. Эти метки будут также исходными контрольными точками, относительно которых определяются отклонения от вертикали всех других верхних контрольных точек вертикального сечения.

Контроль вертикальности плоского объекта в направлении, перпендикулярном проверяемой плоскости, проводят по выбранным вертикальным сечениям (например, сечению 1, см. рис. 4.4.12). Для этого электронный тахеометр устанавливают в точку 1, выбранную по оси проверяемого вертикального сечения на расстоянии S = (2 ‑ 3)h от сооружения. Приводят прибор в рабочее состояние. Наводят перекрестье сетки нитей зрительной трубы электронного тахеометра на нижнюю контрольную точку сечения и измеряют наклонное расстояние , по которому вычисляют горизонтальное проложение . Изменяя наклон зрительной трубы, наводят горизонтальной нитью сетки нитей аналогично на все последующие контрольные точки вертикального сечения объекта (без поворота по горизонту), измеряют соответствующие наклонные расстояния и вычисляют их горизонтальные проложения (например, ).

Величину отклонения контрольных точек сечения от вертикали (крен) находят по формуле

. (4.4.45)

Контроль вертикальности цилиндрического объекта в направлении, перпендикулярном проверяемой плоскости, проводят по выбранным вертикальным сечениям (например, сечению 1, рис. 4.4.13). Для этого сначала на нижнем сечении контролируемого объекта с помощью рулетки и, если необходимо, нивелира наносят метки, определяющие места прохождения вертикальных сечений. Эти метки будут также исходными контрольными точками, относительно которых определяются отклонения от вертикали. Установка прибора в плоскости вертикальных сечений осуществляется тросиками равной длины d от точек соседних вертикальных сечений на расстоянии S = (2 ‑ 3)h от сооружения
(рис. 4.4.13). Электронный тахеометр устанавливают в точку 1, выбранную по оси первого проверяемого вертикального сечения и приводят прибор в рабочее состояние. Наводят перекрестье сетки нитей зрительной трубы электронного тахеометра на нижнюю контрольную точку сечения и измеряют наклонное расстояние , по которому вычисляют горизонтальное проложение . Изменяя наклон зрительной трубы, наводят горизонтальной нитью сетки нитей аналогично на все последующие контрольные точки вертикального сечения объекта (без поворота по горизонту), измеряют соответствующие наклонные расстояния и вычисляют их горизонтальные проложения (например, ). Величину отклонения контрольных точек сечения от вертикали (крен) находят, так же, как и для плоских объектов, по формуле (4.4.45).

При контроле только параметра «вертикальность» стенок названных объектов установка прибора в плоскости выбранного сечения и разметка нижних контрольных точек не требуют высокой точности проведения операций; при решении же задачи контроля формы этих объектов (плоскостность, овальность) необходимо предварительно получить точные координаты и отметки контрольных точек нижнего сечения в своей условной системе.

Стереофотограмметрический метод [189, 190] позволяет вести систематические наблюдения за креном и смещениями точек сооружения вдоль осей пространственной фотограмметрической системы координат, начало которой совпадает с левым концом базиса фотографирования, ось ординат – с направлением оптической оси камеры фототеодолита в этой точке, ось абсцисс – с проекцией базиса фотографирования на горизонтальную плоскость, проходящей через левый конец базиса, а ось аппликат – вертикальна.

Необходимая длина базиса В может быть рассчитана по формуле:

(4.4.46)

где – отстояние сооружения от точки фотографирования (конца базиса);

f – фокусное расстояние камеры фототеодолита;

– средняя квадратическая погрешность измерения горизонтального параллакса р;

– требуемая средняя квадратическая погрешность определения составляющей приращения крена по оси ординат.

Направление базиса должно быть примерно перпендикулярным направлению «средняя точка базиса – ось сооружения» (рис. 4.4.14). При этом для наблюдений сооружений с квадратным и прямоугольным сечением базис следует располагать примерно параллельно одной из граней (для сооружений с прямоугольным сечением параллельно более длинной грани). Расстояние от базиса до сооружения (отстояние) зависит от высоты сооружения и от требуемой точности определения приращений крена.

Концы базиса фотографирования необходимо закрепить бетонными моно-литами со специальными центрами и устройствами для принудительного центрирования фототеодолита. Длину базиса измеряют с высокой точностью. На исследуемом сооружении в верхнем и нижнем сечениях, а также на поясах изгиба устанавливаются специальные марки (в створе перпендикуляра к базису
в средней точке последнего) в виде двух взаимно перпендикулярных полос на белом фоне. Такая марка изображается на негативе белым крестом.

Необходимо также предусматривать определение контрольных точек для нахождения уклонений элементов внешнего ориентирования от заданных значений, что позволит ввести соответствующие поправки в результаты измерений снимков. В качестве контрольных точек выбирают характерные точки устойчивых местных предметов, отчетливо изображающиеся на снимках. Если таких предметов недостаточно, то их создают искусственно. Обычно требуется не менее трех контрольных точек: две из них должны быть расположены по нормали к базису в его левой точке, на ближнем и дальнем плане, третья – на дальнем плане, на возможно большем удалении от указанной нормали (рис. 4.4.14). Положение их относительно базиса определяют с концов базиса прямой угловой засечкой.

В каждом цикле наблюдений изучаемое сооружение фотографируют с двух концов базиса, применяя нормальный случай съемки (рис. 4.4.14), предварительно тщательно отцентрировав фототеодолит и визирную марку, устанавливаемую на другом конце базиса. Точность центрирования должна быть не ниже 0,1 мм, а точность ориентирования оптической оси – не более 5”, что обычно и обеспечивается установкой на бетонные монолиты с центрировочными устройствами. Кроме того, необходимо тщательно следить за прижимом фотопластинки к прикладной рамке.

Примечание. При съемке во всех циклах должно быть строго обеспечено постоянство ориентирования фототеодолита.

Полученные в результате фотографирования снимки стереопары обрабатывают на стереокомпараторе, измеряя координаты X и Z марок сооружения, контрольных точек и горизонтальные параллаксы р одноименных точек в системе координат снимка.

По результатам этих измерений, исправленных поправками за уклонения элементов внешнего ориентирования от заданных (для нормального случая съемки) значений, вычисляют пространственные фотограмметрические координаты X, Y
и Z сфотографированных точек:

(4.4.47)

Полученные значения координат X и У верхней и нижней марок дают возможность вычислить в каждом цикле по формулам, совершенно аналогичным формулам (4.4.3) и (4.4.4), линейную величину частного крена (т. е. отрезка между проекциями на плоскость XY верхней и нижней марок) и его направление относительно оси X (т. е. относительно направления базиса фотографирования). Далее по формуле, аналогичной формуле (4.4.5), можно получить величину абсолютного крена сооружения в данном цикле. Необходимое для этого превышение верхней марки над нижней находят как разность аппликат этих точек:

(4.4.48)

Примечание. Стереофотограмметрический способ не позволяет по результатам какого-либо цикла определить величину абсолютного крена в случае наблюдений сооружения с переменным сечением.

Достоинством данного способа является то, что он дает возможность выявить пространственное смещение верхней точки относительно нижней, т. е. частный пространственный крен:

(4.4.49)

и полный пространственный крен сооружения:

. (4.4.50)

Аналогичным образом можно определить и смещение марок, установленных на поясах изгиба.

Составляющие приращения крена по осям координат между 1-м и начальным циклами наблюдений получают как разности координат верхней марки
в этих циклах:

(4.4.51)

По этим же формулам находят смещения марок, закрепленных на поясах изгиба сооружения.

Величину приращения полного крена между указанными циклами нетрудно получить по формуле:

(4.4.52)

При необходимости можно найти и величину пространственного перемещения верхней марки, т. е. приращение модуля вектора крена:

(4.4.53)

Оценку точности стереофотограмметрического способа определения крена выполняют по формулам:

(4.4.54)

где – средние квадратические погрешности определения составляющих приращения крена по осям координат;

– средние квадратические погрешности измерения на стереокомпараторе координат изображения верхней марки в системе координат снимка. Для определения крена и его приращений с точностью 2 – 3 см отстояние не должно превышать 200 м при длине базиса порядка 50 м. В зависимости от величины вертикального угла зрения фототеодолита стереофотограмметрический способ может быть использован для систематических высокоточных наблюдений за кренами сооружений небольшой и средней высоты.

4.4.4. Проектирование методов обработки результатов
измерений крена и форм отчетной документации

Документация, отражающая результаты геодезического контроля крена сооружений, как и контроля осадок, может проектироваться в виде акта, заключения или технического отчета. Назначение вида отчетной документации зависит от уровня ответственности контролируемого объекта, методов и средств контроля. Документация в виде акта проектируется при контроле крена объектов предприятий весьма редко. Этот вид документации, как правило, применяется при летучем контроле в случаях аварийных ситуаций и при решении спорных вопросов. При проектировании систематического контроля за деформациями, в том числе и за кренами объектов промышленных предприятий, в качестве отчетной документации используют форму технического отчета. Такие отчеты в зависимости от количества накопленных материалов, состояния объектов, стадии эксплуатации предприятия и сооружений, накопленного опыта эксплуатации подобных предприятий и объектов в отрасли, и, наконец, с учетом требований проектировщиков и контролирующих органов, проектируют в виде промежуточных и окончательных. Составление окончательных (заключительных) отчетов проектируют при выполнении строительного цикла предприятия (перед пуском в эксплуатацию), при завершении активного периода осадок,
а также не реже чем через 5 лет эксплуатации. Промежуточные отчеты проектируют после каждого очередного цикла измерений. Если полученная в очередном цикле информация не содержит значительных отличий от предыдущего цикла измерений, материалы контроля могут быть оформлены в виде заключения. Как правило, промежуточные отчеты и заключения несут краткую информацию о конкретно полученных результатах измерений осадок и деформаций объектов и выводы по их техническому состоянию. Основная же полная информация по проектированию, проведению и анализу результатов контроля представляется в окончательном отчете.

Окончательный отчет по контролю осадок и кренов объектов предприятия должен включать краткую характеристику входной документации, сведения из программы контроля и документацию, отражающую результаты геодезического контроля. Так как контроль кренов является частью геодезического контроля деформаций объектов промышленных предприятий, то требования к ее полноте и качеству такие же, что и при контроле осадок (см. раздел 4.2.4).

Методы первичной обработки информации по измерению кренов сооружений и их оснований по своим целям и задачам базируются на общепринятых в инженерной геодезии принципах и методах обработки инженерно-геодези-ческих измерений [6, 7, 120, 122, 161, 176, 189, 228 и др.]. В то же время специфика геодезических работ при контроле кренов сопровождается рядом существенных отличий, которые необходимо учитывать при составлении проекта
и производстве работ.

Как правило, при проектировании видов первичной документации по обработке результатов измерений кренов необходимо определить круг обязательных отчетных документов, характеризующих полноту и качество самих геодезических измерений. Список обязательных документов и их содержание зависят от категории объекта, проектируемых методов и средств измерений, наличия программного обеспечения вычислительных и оформительских работ у контролеров.

Типовой набор прилагаемых документов по обработке результатов измерения кренов включает:

— оформленные и проверенные полевые журналы или электронные носители первичной информации;

— результаты исследований приборов с актом метрологической аттестации;

— схемы размещения геодезической КИА, совмещенные со схемами измерений;

— материалы уравнивания результатов измерений с оценкой точности и сравнительной характеристикой расчетной и фактически полученной точностью;

— ведомость окончательных значений измеренных углов, расстояний, координат пунктов, отметок и осадок марок.

При назначении видов вторичной документации, отражающей результаты геодезического контроля, следует учитывать как категорию объекта контроля, так и требования проектировщиков и эксплуатационников к качеству и содержанию материалов, отображающих реальную картину происходящих процессов и явлений с сооружением и основанием. Как правило, в проектах по контролю кренов объектов промышленных предприятий указывают следующие основные документы:

— ведомости или таблицы фактически полученных и допускаемых величин контролируемых геометрических параметров как отдельных частей конструкций, так и объекта в целом – средних осадок высотных объектов, абсолютных и относительных значений кренов, при необходимости прогибов конструкции и т. п.; по ним путем простого сравнения устанавливают степень соответствия полученных осадок и деформаций установленным нормам;

— графики крена высотного объекта по сечению (рис. 4.4.15) и графики крена по осям х и у (рис. 4.4.16) на период контроля, по которым судят о техническом состоянии объекта;

— графики развития осадок фундамента высотного объекта во времени и графики развития крена и изгиба ствола во времени, аналогичные графикам крена и изгиба плотин (см. рис. 4.3.35) по которым судят о степени развития процесса деформации каждого объекта во времени.

Документация, отражающая результаты геодезического контроля заканчивается анализом крена и изгиба ствола высотного объекта (табл. 4.4.11) и выводами.

Некоторые важные образцы документации, отражающей результаты геодезического контроля крена высотного объекта, приведены в [116].

Рис. 4.4.16. Графики крена по осям x и y

Qx и Qy – крены по осям х и у; f – стрела прогиба участка трубы;

Источник