УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГАШЕНИЯ КОЛЕБАНИЙ В ТРОСАХ ПОДВЕСНОЙ СИСТЕМЫ ГРАЖДАНСКОГО ИНЖЕНЕРНОГО СООРУЖЕНИЯ
DEVICE FOR DAMPING VIBRATIONS IN CABLES OF SUSPENSION SYSTEM OF CIVIL ENGINEERING STRUCTURE

Настоящее изобретение относится к технологиям для демпфирования колебаний, воздействию которых подвергаются тросы, используемые для подвешивания гражданских инженерных сооружений.
Оно применяется для подвешивания вантовых мостов. Ванты вибрируют в значительной мере за счёт ветра и перемещения транспортных средств. Для демпфирования этих колебаний предлагались различные типы устройств.
В первом типе демпфирующих устройств (см., например, документы ЕР 0 343 054 А1, DE 295 17 250 U1 или WO 98/04780 А1) энергия колебаний рассеивается вокруг отдельного троса в зоне, ограниченной радиально элементом, который фиксируется на подвешенной конструкции. Этот элемент может быть рычагом, проходящим между тросом и подвешенной конструкцией, или трубой, которая удерживает нижнюю часть троса.
Дополнительные устройства используют демпферы с линейным перемещением, такие как гидравлические цилиндры. Один или более цилиндров могут располагаться на одном или более рычагов, которые присоединяют отдельный трос к подвешенной конструкции (см., например, документ JP 09-59921 А) или между тросом и трубой, которая прикрепляется к подвешенной конструкции и содержит нижнюю часть троса (см., например, документы FR 2 859 260 А1 или JP 06-58370 А).
Демпфирующее устройство, которое именуется как перпендикулярное демпфирующее устройство, имеет качающийся рычаг, присоединённый к тросу, колебания которого демпфируются за счёт вязкого трения. Документ FR 2 664 920 А1 описывает пример такого перпендикулярного устройства.
Вышеупомянутые демпфирующие устройства имеют недостаток, состоящий в том, что они должны располагаться поблизости от подвеса конструкции, т.е. близко к точке крепления троса, обычно на расстоянии от 1 до 3% от общей длины троса.
Документ FR 2 862 073 А1 описывает другой тип демпфирующие устройства, которое присоединяет трос не к фиксированной точке на подвешенной конструкции, а к соседнему тросу. Поскольку ванты вантового моста обычно имеют различную длину, они все имеют различные собственные частоты колебаний. Следовательно, во время колебаний всегда существует относительное перемещение между тросами. Демпфирующее устройство, в соответствии с документом FR 2 862 073 А1, использует преимущество этого относительного перемещения, чтобы рассеивать энергию. Таким образом, соседний трос представляет псевдофиксированную точку для колеблющегося троса.
Хотя эта псевдофиксированная точка менее эффективна, чем действительно фиксированная точка, такая как мостовое полотно вантового моста, тем не менее эти устройства очень эффективны, поскольку они могут позиционироваться относительно далеко от точки крепления троса, обычно от 5 до 10% от общей длины троса.
Однако это демпфирующее устройство имеет недостаток, состоящий в том, что оно действует только в плоскости тросов, которые оно соединяет, т.е. в плоскости, которая является плоскостью вант. Перемещения вне этой плоскости (поперечные перемещения) эффективно не демпфируются.
Для того чтобы преодолеть колебания в плоскости вант, может применяться другой способ, состоящий в установке тросов, соединяющих ванты, при этом вышеуказанные тросы придают жёсткость плоскости вант в поперечном направлении и предотвращают возникновение в вантах определённых вибрационных режимов. Хотя соединительные тросы могут быть спроектированы таким образом, чтобы гасить вертикальные колебания, чтобы добавлять индивидуальное демпфирование, прикладываемое к основанию вант, они фактически не воздействуют на поперечные колебания.
Задачей настоявшего изобретения является предложение устройства для демпфирования колебаний в тросах, таких как ванты моста, которое является высокоэффективным, в частности для демпфирования поперечных колебаний.
Предлагается устройство для демпфирования колебаний в тросах системы подвешивания гражданских инженерных сооружений. Демпфирующее устройство содержит соединительную структуру для взаимного соединения тросов группы из по меньшей мере трёх тросов системы подвешивания, которая проходит по существу в общей плоскости подвешивания. Соединительная структура имеет за пределами плоскости подвешивания по меньшей мере одну опорную точку для элемента рассеивания энергии, расположенного таким образом, чтобы обеспечивать демпфирующее усилие в ответ на перемещение одного из тросов в группе по отношению к другим тросам из группы в направлении, перпендикулярном к плоскости подвешивания.
Устройство обеспечивает возможность демпфирования поперечных колебаний тросов, в то же время позволяя свободу позиционирования соединительной структуры вдоль этих тросов. Таким образом, оно может размещаться в таком месте, где демпфирование будет эффективным.
Группа тросов, соединённых с помощью соединительной структуры, состоит из трёх или более тросов. Если в этой группе существует только два троса, то поперечное демпфирование не будет эффективным. Поскольку соединительная структура имеет определённый поперечный размер, то предпочтительно, чтобы она не включала в себя слишком много тросов, вследствие увеличения веса, что является рискованным, а также по эстетическим причинам. Таким образом, предпочтительное количество тросов в группе часто будет составлять три троса.
В одном варианте осуществления изобретения устройства для демпфирования соединительная структура включает в себя по меньшей мере один демпфер с линейным перемещением, ориентированный в поперечном направлении к плоскости подвешивания. Часто будет существовать множество демпферов с линейным перемещением, которые не являются взаимно параллельными в соединительной структуре.
Чтобы получить достаточное разнесение элементов для эффективного действия элемента или элементов рассеивания энергии, опорная точка в соединительной структуре предпочтительно располагается на расстоянии от плоскости подвешивания, которое превышает одну сороковую часть промежутка между двумя соседними тросами системы подвешивания в соединительной структуре. Это расстояние между опорной точкой и плоскостью подвешивания может быть заметно больше, чем одна десятая от промежутка между тросами.
В одной предпочтительной конструкции устройства для демпфирования соединительная структура выполнена таким образом, чтобы позволить смещения каждого троса из группы перпендикулярно самому себе в плоскости подвешивания и вне плоскости подвешивания, когда положения других тросов из группы являются фиксированными. Это позволяет избежать ограничения траекторий тросов.
В такой конструкции возможно гарантировать, что каждое из вышеуказанных смещений приводит в действие по меньшей мере один элемент для рассеивания энергии. Таким образом, одно и то же устройство гасит колебания в тросах группы в различных возможных направлениях.
Также можно обеспечить параллельное тросам перемещение точек соединения соединительной структуры к тросам, например, вследствие расширений или сжатия тросов в случае температурных колебаний.
Соединительная структура может поддерживаться по меньшей мере одним из тросов группы без вставления элементов для демпфирования. В частности, чтобы получить хорошую стабильность, соединительная структура может поддерживаться тросом группы, который располагается выше центра тяжести соединительной структуры, например, таким как самый высоко расположенный трос группы.
Другой аспект настоящего изобретения относится к вантовому мосту, содержащему по меньшей мере один пилон, мостовое полотно, по меньшей мере один комплект вант, состоящий из тросов, проходящих наклонно в плоскости подвешивания между одной стороной пилона и мостовым полотном, чтобы поддерживать мостовое полотно, и по меньшей мере одно демпфирующее устройство, как описывалось выше, установленное на группе из по меньшей мере трёх вант комплекта.
Все из этих вант должны демпфироваться, т.е. в целом по меньшей мере самые длинные ванты из комплекта принадлежат по меньшей мере к одной группе, на которой устанавливается демпфирующее устройство. Для некоторых вант существует возможность принадлежать к множеству групп, каждая из которых имеет своё собственное демпфирующее устройство.
Дополнительные признаки и преимущества настоящего изобретения станут более понятными из последующего описания неограничивающих вариантов осуществления изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых
фиг. 1 является чертежом профиля сечения вантового моста, использующего демпфирующие устройства в соответствии с изобретением;
фиг. 2 и 3 являются схемами, представленными для иллюстрации принципа работы демпфирующие устройства в соответствии с изобретением;
фиг. 4-10 являются схематическими видами в разрезе, в плоскости, перпендикулярной направлению вант, примеров демпфирующих устройств в соответствии с изобретением; и
фиг. 11 и 12 являются чертежами профиля сечения вантовых мостов, имеющих дополнительные возможные компоновки демпфирующих устройств.
Изобретение описывается на примере его использования к системам подвешивания вантовых мостов. Тросы, которые предназначены для гашения колебаний, в этом случае являются вантами 16, которые проходят между пилоном 20 моста и мостовым полотном 14 для его поддержки. В иллюстрации на фиг. 1 существует два комплекта вант 16, расположенных симметрично с каждой из двух сторон пилона 20. Однако на практике очень часто существует асимметрия между двумя сторонами пилона вантового моста.
Комплект вант 16 проходит в вертикальной или немного наклонной плоскости между пилоном 20 и мостовым полотном 14. Каждая ванта 16 имеет нижний конец, прикреплённый к мостовому полотну 14, и верхний конец, присоединённый к пилону 20 или с помощью другого устройства для прикрепления, или с помощью отклоняющейся промежуточной опоры.
Возможно оборудование всех или некоторых вант 16 около их нижних концов отдельными демпфирующими устройствами (не показаны), например такого типа, которые описывались в упоминаемых во вводной части публикациях или в международной заявке на патент PCT/FR2014/052693.
Чтобы способствовать гашению колебаний в вантах 16 комплекта, он оснащается одним или более устройствами 22, каждое из которых содержит соединительную структуру 24, которая соединяет вместе множество соседних вант.
Эти устройства 22 используются для демпфирования колебаний, которым подвергаются ванты, перпендикулярно к направлению их прохождения, вследствие относительных смещений их соединительных средств или вследствие аэродинамических эффектов. В частности, предполагается демпфирование колебаний в вантах 16, которые перпендикулярны к плоскости комплекта вант.
Поперечное демпфирование требует приложения к тросу 16 демпфирующей силы F за пределами плоскости комплекта вант с опорой на другие тросы (фиг. 2 и 3). Прикрепление соединительной структуры 24 к единственному соседнему тросу 16, принимая во внимание жёсткость при кручении этого троса (фиг. 2), не является эффективной для практической реализации, поскольку трос имеет маленькую жёсткость при кручении, а также часто покрывается оболочкой, которая слабо прилипает к тросу, если вообще прилипает.
Соединительная структура 24, таким образом, должна просто поддерживаться, например кольцом 18, которое может свободно вращаться, но зафиксировано вдоль тросов, по меньшей мере двумя соседними тросами 16 (фиг. 3), чтобы таким образом создавать возвратный эффект. Поскольку два троса имеют различные длины и поэтому различные естественные частоты колебаний, они создают псевдовставку для третьего троса, чтобы он демпфировался в поперечном направлении.
Таким образом, демпфирующие устройства 22 используют структуру 24, которая соединяет вместе по меньшей мере три троса, как правило три смежных троса комплекта вант. Эта соединительная структура 24 проходит в значительной степени за пределами плоскости комплекта вант, чтобы иметь определённую поперечную структурную жёсткость. Термин “в значительной степени” следует понимать в том смысле, что по меньшей мере один из компонентов структуры 24, не являющийся кольцом для присоединения к тросам, ориентирован наружу от плоскости комплекта вант.
Поперечный размер соединительной структуры 24 превышает одну двадцатую от минимального промежутка между тросами 16 группы из трёх тросов. Обычно он будет больше, чем одна пятидесятая от этого промежутка.
Соединительная структура 24 содержит как жёсткие структурные элементы, обычно это стальные элементы, так и элементы для рассеивания энергии, обычно это фрикционные и/или вязкие элементы, или один или более структурных элементов выполнен из материала, имеющего высокое внутреннее демпфирование.
В одном репрезентативном варианте осуществления изобретения в качестве элементов для рассеивания энергии используются один или более гидравлических цилиндров с симметричным действием или асимметричным действием (см. документ ЕР 2 386 689 А1). Эти цилиндры могут по выбору вмещать пружину, чтобы получить упругое возвращение в добавление к демпфированию.
Для того чтобы противостоять гравитации, соединительная структура 24 поддерживается по меньшей мере одним тросом 16 группы из трёх тросов, в который не вставляются демпфирующие элементы.
Для того чтобы не препятствовать медленным перемещениям тросов, в частности тем, которые появляются вследствие температурных изменений предпочтительно, чтобы в соединительной структуре 24 не было жёсткого соединения двух тросов в группе. Если два троса 16 жёстко фиксируются между собой, то вертикальный промежуток между этими двумя тросами 16 является фиксированным и в тросах могут возникать отклонения, которые предпочтительно избегать.
Для того чтобы соединительная структура 24 имела хорошую стабильность, предпочтительным режимом фиксирования является подвешивание с помощью троса 16, расположенного выше центра тяжести структуры. Как правило, это будет самый высокорасположенный трос группы.
Возможны многочисленные конфигурации соединительной структуры 24. Фиг. 4-10 схематически показывают примеры, которые отвечают следующим условиям:
- соединительная структура соединяет вместе три или более тросов;
- структура поддерживается стабильным образом, без вставления демпфирующих элементов, по меньшей мере с помощью одного троса;
- любой трос из группы тросов, которые соединяются вместе, имеет способность перемещения перпендикулярно самому себе (т.е. в плоскости фиг. 4-10), в плоскости Р комплекта вант и за пределами этой плоскости Р, когда положения других тросов группы рассматриваются как фиксированные;
- это перемещение одного из тросов относительно других создаёт увеличение активизации по меньшей мере одного элемента рассеивания энергии в соединительной структуре.
В примерах, показанных на фиг. 4-10, группы составлены из трёх смежных тросов 16А, 16В, 16С комплекта вант. Следует отметить, что эти тросы могут также быть и не смежными тросами. Функция поддержки соединительной структуры выполняется через кольцо 18А для прикрепления к верхнему тросу 16А группы.
В примере, показанном на фиг. 4, соединительная структура 30 имеет симметричную форму с каждой из двух сторон плоскости Р комплекта вант. Она имеет жёсткую раму 32, которая подвешивается на верхней ванте 16А группы через кольцо 18А. Каждая из двух других вант 16В, 16С группы соответственно присоединяется к раме 32 через кольцо 18В, 18С и пару гидравлических цилиндров 34В, 34С.
Цилиндры 34В, 34С располагаются симметрично с одной из двух сторон плоскости Р, и их оси образуют угол θ в состоянии покоя, который находится в диапазоне между 0° и 90°, например 45°. С одной стороны они шарнирно соединены с кольцом 18В, 18С, которое установлено на соответствующей ванте 16В, 16С, а с другой стороны – с соответствующей точкой рамы 32, которая располагается на расстоянии r от плоскости Р. Это расстояние r обычно меньше, чем одна сороковая часть от промежутка Н между двумя соседними вантами группы в соединительной структуре 30. Чтобы получить демпфирующую силу F с относительно высокой амплитудой в поперечном направлении к комплекту вант, предпочтительно, чтобы это расстояние r было больше, чем Н/10.
Как показано на фиг. 4, когда ванты 16А и 16С фиксируются, цилиндры пары 34В гасят колебания ванты 16В в обоих направлениях. Аналогичным образом, когда ванты 16А и 16В неподвижны, цилиндры пары 34С гасят колебания ванты 16С в обоих направлениях.
Когда ванты 16А и 16С неподвижны, вертикальные колебания ванты 16А демпфируются за счёт совместного реагирования цилиндров 34В, 34С на растяжение или сжатие, в то время как горизонтальные колебания ванты демпфируются дифференцированным способом двумя цилиндрами каждой пары 34В, 34С.
Фиг. 5 показывает вариант демпфирующего устройства из фиг. 4, в котором рама соединительной структуры 40 имеет два усиленных элемента 42, которые проходят параллельно друг другу с каждой из двух сторон плоскости Р комплекта вант и перпендикулярно трём вантам из группы. На верхнем конце два элемента 42 жёстко присоединяются к кольцу 18А, прикреплённому к верхней ванте 16А. Перекладина 44 соединяет два элемента 42 в нижней части соединительной структуры 40.
Пары гидравлических цилиндров располагаются таким же образом, как на фиг. 4, за исключением того, что цилиндры 34В, 34С проходят в направлении вверх, а не вниз от вант 16В, 16С, с которыми они соответственно соединяются.
Фиг. 6 и 7 показывают два других варианта соединительной структуры 50, 60, которые отличаются от показанных на фиг. 4 и 5 формой рамы 52, 62, а расположение элементов 34В, 34С для рассеивания энергии является аналогичным.
В примере, показанном на фиг. 8, соединительная структура 70 имеет две жёсткие рамы 72А, 72В, которые соответственно подвешиваются на тросах 16А, 16В. Два гидравлических цилиндра 74, расположенных симметрично относительно плоскости Р комплекта вант, соединяют вместе две рамы 72А, 72В. Другой, расположенный поперечно гидравлический цилиндр 76 соединяет верхнюю раму 72А с нижней рамой 72В. Угол α между осью этого гидравлического цилиндра 76 и вертикальной плоскостью Р составляет, например, около 60°.
Колебания внутренней ванты 16С группы демпфируются парой гидравлических цилиндров 34С, расположенных в нижней части рамы 72В с расположением, аналогичным показанному на фиг. 5-7. Вертикальная составляющая относительного перемещения между вантами 16А и 16В по существу демпфируется за счёт действия цилиндров 74, с дополнительным участием поперечного цилиндра 76. Горизонтальная составляющая относительного перемещения между вантами 16А и 16В по существу демпфируется за счёт действия поперечного цилиндра 76, с дополнительным участием цилиндров 74.
В иллюстративном варианте осуществления изобретения, показанном на фиг. 9, соединительная структура 80 имеет сборочный узел из четырёх шарнирных штоков 81, 82, 83, 84, которые шарнирно соединены в виде ромба. Точка сочленения между верхними шарнирными штоками 81, 82 находится на кольце 18А, которое прикрепляется к верхней ванте 16А группы, в то время как точка сочленения между нижними шарнирными штоками 83, 84 находится на кольце 18С, которое прикрепляется к нижней ванте 16С. Соответствующие внешние концы двух гидравлических цилиндров 86, которые располагаются симметрично относительно плоскости Р комплекта вант, также имеют шарнирное соединение в двух других точках сочленения сборочного узла ромбовидной формы, а противоположные концы вышеуказанных цилиндров 86 присоединяются к кольцу 18В, прикреплённому к центральной ванте 16В группы. Для завершения соединительной структуры 80 третий гидравлический цилиндр 88 устанавливается с использованием шарнирного соединения между кольцами 18А, 18В, прикреплёнными к вантам 16А, 16В.
В этом иллюстративном варианте осуществления изобретения относительные вертикальные смещения центральной ванты 16В приводят в действие демпфер 88. Для всех других смещений шарнирно соединенные штоки 81, 82, 83, 84 деформируют ромбовидную форму и приводят в действие по меньшей мере цилиндры 86.
Фиг. 10 показывает другой пример демпфирующего устройства, в котором соединительная структура 90 имеет жёсткую раму 92, подвешенную на верхней ванте 16А группы вант. Каждая из двух других вант группы присоединена к раме 92 с помощью трёх соответствующих гидравлических цилиндров 94В, 94С, которые имеют различные ориентации в поперечном направлении относительно плоскости Р комплекта вант.
Изучение примеров фиг. 4-10 показывает, что в них реализуются многочисленные возможные компоновки соединительной структуры. Эти примеры даются в качестве неограничивающего варианта. В специфическом случае проектировщик подвешивающей системы гражданских инженерный сооружений будет назначать размеры соединительных структур и элементов для рассеивания энергии в зависимости от общего расчета сооружения и напряжений, которым они могут подвергаться. Детали для производства соединительной структуры также могут регулироваться в зависимости от эстетических и аэродинамических соображений, которые выходят за пределы настоящего описания.
Положения демпфирующих устройств в соответствии с изобретением комплекта вант подвешивающей системы гражданских инженерный сооружений также могут очень сильно изменяться. Одно из преимуществ настоящего изобретения заключается в том, что оно даёт возможность большой гибкости в компоновках таких устройств. Несколько альтернативных компоновок иллюстрируются на фиг. 11 и 12.
На фиг. 11 соединительные структуры демпфирующих устройств 22 соединяют ванты 16 в виде три на три. В то время как на фиг. 1 группы вант соединяются одним демпфирующим устройством 22, составленным из отдельных вант, эти группы имеют взаимные пересечения в случае, показанном на фиг. 11. Некоторые из вант 16 комплекта вант таким образом принадлежат к множеству групп. В правой части фиг. 11 смежные группы совместно используют одну ванту, в то время как в левой части фигуры смежные группы совместно используют две ванты.
Фиг. 12 показывает комплекты вант, обеспеченные демпфирующими устройствами 22, которые соединяют более чем три ванты 16.
В правой части фиг. 12 группы состоят из четырёх вант, а смежные группы совместно используют одну ванту.
В варианте осуществления изобретения, проиллюстрированном в левой части фиг. 12, имеются демпфирующие устройства 22 для групп из трёх вант и дополнительные устройства 22 для групп из четырёх вант. Конструкция из группы вант 16, оборудованная устройством в соответствии с изобретением может в значительной степени изменяться, и вдоль этих вант демпфирующие устройства 22 могут размещаться в любом желаемом положении, в зависимости от общей структуры моста и напряжений, которым он может подвергаться.
Описанные выше варианты осуществления изобретения являются иллюстрациями настоящего изобретения. Различные модификации могут быть выполнены без выхода за пределы объёма изобретения, которые будут понятны из прилагаемых пунктов формулы изобретения.