УСТРОЙСТВО ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ПОПЕРЕЧНЫХ КОЛЕБАНИЙ ПРОЛЕТНОГО СТРОЕНИЯ МОСТОВ, ВЫЗВАННЫХ ВЕТРОВЫМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ
DEVICE TO REDUCE TRANSVERSE OSCILLATIONS OF BRIDGE SPAN CAUSED BY WIND EFFECT

Изобретение относится к области аэрогидродинамики плохообтекаемых конструкций и касается вопроса 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 ветром сооружения. 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 правильного вихреобразования при обтекании конструкции ветровым потоком, позволяет устранить основную причину колебаний.
Под действием ветра колебания мостов могут вызываться различными физическими причинами: галопированием, изгибно-крутильным флаттером, срывным флаттером, бафтингом, ветровым резонансом. Установлено (М.И. Казакевич «Аэроупругая неустойчивость балочных мостов», журнал «Металлические конструкции», т.16, №3, 2010 г., с. 163-170), что для мостов с пролетным строением типа Волгоградского моста причиной колебаний при ветре может быть только ветровой резонанс, когда собственная частота колебаний мостовой конструкции совпадает с частотой срыва вихрей Кармана. Дорожка вихрей Кармана за Волгоградским мостом показана на фиг.1.
Известны устройства для уменьшения интенсивности вихрей Кармана - обтекатели, которые устанавливаются на пролетное строение моста с боковых сторон, прототип - (М.И. Казакевич, «Аэродинамика мостов», М., Изд. «Транспорт», 1987 г., с.167).
Недостатком известных обтекателей является невозможность обеспечить достаточный продольный размер обтекателя, способный сохранить безотрывность течения, которая необходима для отсутствия кармановских вихрей и тем самым уменьшения переменных сил на пролетном строении, приводящих к возникновению поперечных колебаний пролета, а также их большая материалоемкость
Задачей предлагаемого изобретения является уменьшение колебаний пролетного строения моста, вызванных ветровым воздействием при одновременном снижении материалоемкости.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для снижения поперечных колебаний пролетного строения мостов, вызванных ветровым воздействием, включающем разрушители периодических кармановских вихрей, возникающих в аэродинамическом следе над и под пролетным строением моста, разрушители выполнены в виде пластин, имеющих треугольную форму в плане, которые размещены вдоль пролета моста с обеих его сторон и установлены горизонтально заподлицо соответственно с верхней и с нижней поверхностями пролетного строения. При этом треугольные разрушители вихрей прикреплены к торцам пролетного строения своими основаниями, а их вершины ориентированы наружу по обе стороны пролетного строения и отстоят от его краев на расстоянии равном 0,05÷1,5 толщины пролетного строения. Угол при вершине разрушителей находится в пределах 30°÷80°.
Кроме того, расстояние между основаниями соседних разрушителей вдоль пролета составляет 0÷3 толщины пролетного строения моста.
Наряду с этим треугольные разрушители, расположенные на верхней поверхности пролетного строения моста, отклонены вверх от горизонтали на угол β, изменяющийся в пределах от β=0° до β=90°, а разрушители, расположенные на нижней поверхности пролетного строения, отклонены вниз также на угол 0°≤β≤90°.
Выполнение разрушителей периодических вихрей в виде пластин, имеющих треугольную форму в плане, с углом при вершине 30°÷80° и отстоящих от соответствующего края пролетного строения на расстоянии 0,05÷1,5 толщины пролетного строения, позволяет создать интенсивные продольные вихри, оси которых ориентированы перпендикулярно осям кармановских вихрей и которые разрушают периодические кармановские вихри, устраняя переменное давление на пролетном строении, благодаря этому уменьшают поперечные колебания пролета моста.
Выполнение вихревых разрушителей в виде пластин и их размещение вдоль пролета на расстоянии между основаниями соседних разрушителей 0÷3 толщины пролетного строения моста, позволяет снизить материалоемкость разрушителей.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется рисунками, где на фиг.2 приведен вид сверху пролетного моста с установленными разрушителями вихрей, на фиг.3 - вид сбоку пролетного строения моста с установленными разрушителями вихрей, на фиг.4 показано образование продольных вихрей на треугольном разрушителе, на фиг.5 показан вихревой след за мостовым строением с установленными разрушителями вихрей.
Устройство для снижения поперечных колебаний пролетного строения мостов включает разрушители периодических кармановских вихрей 1 (фиг.2, 3), которые выполнены в виде пластин, имеющих треугольную форму в плане (фиг.2, 4), размещены вдоль пролета моста 2 с обеих его сторон и установлены горизонтально заподлицо соответственно с верхней и нижней поверхностями пролетного строения (фиг.2, 3). Треугольные разрушители вихрей 1 прикреплены к торцам пролетного строения 2 своими основаниями 3 (фиг.2, 3, 4), а их вершины 4 ориентированы наружу по обе стороны пролетного строения 2 (фиг.2, 3) и отстоят от его краев на расстоянии равном 0,05÷1,5 толщины пролетного строения. Угол при вершине 4 (фиг.2, 4) разрушителей 1 находится в пределах от 30° до 80°. Вдоль пролетного строения 2 разрушители вихрей 1 размещены друг от друга на расстоянии, равном 0÷3 толщины пролетного строения моста (на фиг.2 упомянутое расстояние равно 0). Треугольные разрушители вихрей 1, расположенные на верхней поверхности пролетного строения моста, могут быть отклоненными вверх от горизонтали на угол β, изменяющийся в пределах от β=0° до β=90°, а разрушители, расположенные на нижней поверхности пролетного строения, отклоненными вниз также на угол 0°≤β≤90°.
Устройство работает следующим образом.
При обтекании воздушным потоком пролетного строения мостов при отсутствии разрушителей вихрей 1 на нем возникают переменные, практически периодические аэродинамические силы в вертикальном (поперечном) направлении. Указанные силы обусловлены периодическим срывом кармановских вихрей с нижней и верхней поверхностей пролетного строения 2 (фиг.1) и возникающими в этой связи пульсациями давления в поперечном направлении поверхности моста 2.
Внешний поток воздуха, набегающий на пролетное строение моста 2 с разрушителями 1, сначала натекает на треугольные разрушители 1, на которых начинают формироваться интенсивные продольные вихри 5 (фиг.4), оси которых перпендикулярны осям кармановских вихрей (на фиг.4 не показаны). Распространяясь вниз по течению, продольные вихри 5 начинают взаимодействовать с кармановскими вихрями, которые в результате полностью разрушаются, теряя свою периодическую регулярную структуру, а вызванные ими колебания пролетного строения моста существенно уменьшаются. В результате действия разрушителей вихрей 1 устраняются периодические срывы кармановских вихрей с нижней и верхней поверхности пролетного строения 2 (фиг.1) и возникающие в этой связи пульсации давления в поперечном направлении, а вызванные ими колебания пролетного строения моста существенно уменьшаются.
На фиг.5 представлена картина следа за пролетным строением 2 модели Волгоградского моста с разрушителями кармановских вихрей 1, на которой отсутствует периодические вихревые структуры, имевшие место за пролетным строением 2 при отсутствии разрушителей 1 (фиг.1).
Предлагаемое устройство для снижения поперечных колебаний пролетного строения мостов, вызванных ветровым воздействием, позволяет существенно снизить поперечные колебания пролетного строения моста (в 7-8 раз) и материалоемкость (в 5-6 раз), что его выгодно отличает от прототипа.