УСТРОЙСТВО ДЛЯ УМЕНЬШЕНИЯ КОЛЕБАНИЙ МОСТОВОЙ КОНСТРУКЦИИ, ВЫЗВАННЫХ ВЕТРОМ

Полезная модель относится к области аэрогидродинамики, а именно к устройствам для уменьшения колебаний мостовой конструкции и может быть использована для уменьшения поперечных колебаний пролетных строений мостов, вызванных ветровым воздействием.
Известно, что уменьшение колебаний мостов обеспечивается установкой механических или аэродинамических гасителей колебаний (М.И. Казакевич, «Аэродинамика мостов», М., Изд. «Транспорт», 1987 г.). Принципиальная разница между механическими и аэродинамическими гасителями заключается в том, что последние устраняют причину явления ветрового резонанса, существенно изменяя характер обтекания конструкции ветром. Механические гасители представляют собой гидравлические демпферы, устанавливаемые в определенных местах пролетного строения моста. Эти гасители эффективны, но связаны со значительными конструктивными трудностями при их реализации. Аэродинамическое гашение колебаний, идея которого заключается в нарушении регулярного периодического вихреобразования при обтекании конструкции ветровым потоком, позволяет устранить основную причину колебаний.
Под действием ветра колебания мостов могут вызываться различными видами аэроупругой неустойчивости: галопированием, изгибно-крутильным флаттером, срывным флаттером, бафтингом, вихревым возбуждением. Установлено (М.И. Казакевич «Аэроупругая неустойчивость балочных мостов», журнал «Металлические конструкции», т. 16, №3, 2010 г., с. 163-170), что для большинства типов мостов с пролетным строением длиной более 100 метров причиной колебаний при ветре является вихревое возбуждение, когда собственная частота колебаний мостовой конструкции совпадает с частотой срыва вихрей кармана.
Известен аналог - патент RU 2500852 С2 от 11.10.2011 г. «Устройство для снижения поперечных колебаний пролетного строения мостов, вызванных ветровым воздействием», который включает разрушители периодических вихрей, выполненные в виде неподвижных пластин, имеющих треугольную форму в плане и размещенных вдоль пролета моста с обеих его сторон. Недостатком данного технического решения является ограниченный диапазон скоростей воздушного потока, на которых оно работает эффективно.
Наиболее близкое техническое решение «Конструкция для ветроустойчивости моста» (патент JP 2012052336 А от 15.03.2012 г.), которое позволяет обеспечить устойчивое обтекание ветром конструкции моста и достичь эффективного подавления колебаний. Устройство представляет собой конструкцию, состоящую из пары неподвижных направляющих пластин, установленных под нижней частью балки жесткости моста. Пластины установлены под углом друг к другу и служат для направления набегающего воздушного потока под нижнюю часть балки жесткости моста, обеспечивая тем самым изменение режима обтекания конструкции. Недостатком данного технического решения является низкая эффективность работы в широком диапазоне скоростей воздушного потока.
Целью предлагаемого устройства является уменьшение колебаний конструкции пролетного строения моста, вызванных отрывом потока.
Технический результат заключается в устранении отрыва потока во всем диапазоне скоростей ветра. Также достигается снижение материалоемкости конструкции.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство для уменьшения колебаний мостовой конструкции, вызванных ветром, содержит пару горизонтальных и наклонных пластин, имеющих прямоугольную форму в плане, и размещенные вдоль пролетного строения с обеих его сторон ниже уровня нижней поверхности балки жесткости. Пластины выполнены в виде отдельных секций, и расположены относительно друг друга на расстоянии от 0,1 до 50 Н, где Н - высота балки жесткости пролетного строения моста, наклонные пластины шарнирно связаны с неподвижными горизонтальными пластинами, выполненные с возможностью отклоняться от вертикали на угол наклона β, изменяющийся в пределах от 0° до 180°, с помощью привода управления углом наклона β, получающего сигнал от датчика ускорения, установленного на конструкции пролетного строения моста.
Вся конструкция устройства в сборе выполнена не на всю длину пролетного строения, а разделена на секции установленные вдоль пролетного строения с интервалом, изменяющимся в диапазоне от 0,1 Н до 50 Н, где Н - высота балки жесткости пролетного строения моста. Выполнение устройства в виде отдельных секций позволяет снизить материалоемкость конструкции и повысить его эффективность для снижения уровня колебаний конструкции. Разделение конструкции устройства на секции, выполненные в виде пары горизонтальных и поворотных прямоугольных пластин, позволяет создать трехмерное обтекание без образования периодических кармановских вихрей. Таким образом, устраняется переменная подъемная сила на пролетном строении, благодаря чему уменьшаются поперечные колебания моста.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1 и 2 приведен общий вид устройства установленного на пролетном строении моста, на фиг. 3 и 4 - конструктивная схема составных частей устройства, на фиг. 5 - схема линий тока при воздействии ветра на мостовую конструкцию, на фиг. 6 - схема линий тока при воздействии ветра на мостовую конструкцию с установленным устройством.
Каждая секция устройства размещается с обеих сторон пролетного строения моста 1 друг относительно друга на расстоянии, равном от 0,1 до 50 Н, где Н - высота балки жесткости пролетного строения моста (фиг. 3 и 4). Отдельная секция устройства состоит из пары горизонтальной 2 и наклонной 3 пластин, имеющих прямоугольную форму в плане. Горизонтальная пластина может крепиться к мосту на кронштейнах 4 ниже уровня нижней поверхности балки жесткости пролетного строения. Наклонная пластина шарнирно 5 связана с горизонтальной и имеет возможность отклоняться от вертикали на угол β, изменяющийся в пределах от 0° до 180°, Поворот наклонной пластины осуществляется с помощью привода (механического, гидравлического или иного) управления наклоном 6. Управление приводом связано с установленным на конструкции пролетного строения датчиком ускорения (например, акселерометром) 7.
Устройство для уменьшения колебаний мостовой конструкции, вызванных ветром, работает следующим образом. При воздействии ветра на пролетное строение моста с установленным устройством, воздушный поток сначала натекает на наклонные пластины 3 с наветренной стороны пролетного строения 1, которые направляют поток по горизонтальным пластинам 2 вдоль нижней поверхности пролета моста. С подветренной стороны поток разворачивается, проходя между поверхностями балки жесткости пролетного строения и горизонтальной и наклонной пластинами. Таким образом, организуется близкое к безотрывному обтекание конструкции (фиг. 6), что существенным образом изменяет характер обтекания пролетного строения, и значительно уменьшает амплитуду колебаний конструкции под действием ветра.
При эксплуатации моста явления аэродинамической неустойчивости могут возникать при различной скорости и угле натекания на мост воздушного потока. При этом могут реализовываться различные режимы обтекания пролета моста. Обеспечить необходимый режим обтекания моста воздушным потоком можно, изменяя угол поворота наклонных пластин. Для этого непосредственно на пролетное строение моста устанавливается датчик ускорения (акселерометр), связанный с приводом управления углом наклона поворотных пластин. Акселерометр работает непрерывно. На основе его показаний оценивается амплитуда колебаний пролетного строения в процессе его эксплуатации. В случае превышения допустимого уровня колебаний моста от акселерометра поступает сигнал на привод управления углом поворота наклонных пластин. Пластины поворачиваются на заранее известный для данного моста угол, пока амплитуда колебаний пролета моста не уменьшиться до допустимых значений.
При использовании описываемого устройства во всем диапазоне скоростей ветра устраняются периодические срывы кармановских вихрей с поверхности пролетного строения и возникающие в этой связи периодическая подъемная сила в поперечном направлении, а вызванные ею колебания пролетного строения моста существенно уменьшаются.
Данное техническое решение позволяет спроектировать готовые секции, состоящие из горизонтальных и наклонных пластин и привода управления углом поворота и устанавливать их на любые мостовые конструкции, как универсальное средство для управления отрывом потока.
Устройство для уменьшения колебаний мостовой конструкции, вызванных ветром, может использоваться как постоянный элемент конструкции существующего моста, так и в качестве временного модуля, позволяющего на стадии монтажа мостового пролета обезопасить его от возможности возникновения аэродинамической неустойчивости.