СПОСОБ ДЕМПФИРОВАНИЯ КОЛЕБАНИЙ ВАНТ И СООТВЕТСТВУЮЩАЯ СИСТЕМА
METHOD TO DAMP VIBRATIONS OF GUY CABLE AND APPROPRIATE SYSTEM

Изобретение относится к способам демпфирования колебаний по меньшей мере двух вант строительного сооружения.
В качестве неограничивающего примера можно указать, что предложенный способ демпфирования колебаний может, в частности, использоваться для демпфирования колебаний вант вантового моста. В вантовых мостах ванты, образующие систему, как правило, крепятся верхними концами на пилоне, а нижними концами - на дорожном полотне моста. Таким образом, вантовая система обеспечивает удержание и устойчивость конструкции.
Однако в некоторых условиях, в частности, когда дорожное полотно моста подвергается периодическим возбуждениям, ванты могут накапливать энергию и интенсивно колебаться. Двумя основными причинами возникновения этих колебаний являются перемещение креплений вант относительно дорожного полотна под действием нагрузки движения транспорта и влияние ветра, действующего непосредственно на ванты. Эти колебания, если их не контролировать, могут привести к повреждениям вант, а также вызывать беспокойство у пользователей, находящихся непосредственно на дорожном полотне моста.
Известно, что для предотвращения или ограничения колебаний вант строительного сооружения используют соединительные канаты, которые позволяют соединить между собой множество вант одной системы, при этом указанные соединительные канаты также непосредственно крепятся на дорожном полотне моста. Эти соединительные канаты позволяют повысить жесткость всей системы вант и одновременно препятствуют некоторым модам колебаний, в основном плоских, указанных вант.
Однако когда для соединения множества вант используются соединительные канаты, следует учитывать следующие параметры:
- сечение, жесткость и натяжение соединительных канатов необходимо определять путем расчета всей системы соединенных между собой вант;
- прочность соединительных канатов и их креплений следует рассчитывать для случаев предельной нагрузки, такой как транспортное движение на дорожном полотне моста или действие сильных порывов ветра на сооружение или на ванты;
- предварительное натяжение соединительных канатов должно исключить любое их ослабление под действием предельной нагрузки. Действительно, ослабленный соединительный канат больше не выполняет своей функции и может подвергаться рывкам, отрицательно сказывающимся на прочности креплений, что может также привести к разрыву этого соединительного каната и, следовательно, к необходимости его замены другим соединительным канатом большего сечения и большей жесткости и необходимости его натяжения до большего значения;
- необходимо производить также оценку, а при необходимости - коррекцию углов загиба концов вант в месте их крепления.
Учет этих различных параметров существенно усложняет установку указанных соединительных канатов с целью повышения жесткости системы вант строительного сооружения.
Кроме того, если соединительные канаты необходимо установить после ввода в действие строительного сооружения для исправления проблем устойчивости, то абсолютно необходимо, как было указано выше, произвести предварительное натяжение всех соединительных канатов, что приводит к изменению геометрии различных вант системы и отражается на конструкции сооружения, в частности приводит к появлению угловых перегибов в зоне концов вант, непосредственно закрепленных на пилоне и на дорожном полотне моста.
Другое решение состоит в использовании демпферов, располагаемых между вантами и конструкцией сооружения или непосредственно между вантами, чтобы рассеивать энергию колебания вант.
Из соображений повышения эффективности эти демпферы традиционно являются симметричными, то есть работают по существу одинаково при растяжении или сжатии. Обычно используют поршневые демпферы с прямолинейным ходом, которые удовлетворяют симметричному и возрастающему соотношению между развиваемым усилием и скоростью перемещения поршня, когда они работают на растяжение (удлинение) или на сжатие (сокращение). Симметрия соотношения подразумевает идентичное или близкое поведение этих демпферов при растяжении или при сжатии.
Однако во время работы на сжатие усилие реакции поршня может стать источником нестабильности.
Например, рассмотрим систему вант вантового моста, где соответствующий демпфер соединяет каждую пару смежных вант системы, при этом демпферы установлены в продолжении друг друга. Когда происходит сжатие двух демпферов по обе стороны от одной ванты, ванта, находящаяся между этими двумя элементами, может быть вытолкнута из плоскости системы.
Эта нестабильность приводит к тому, что демпферы перестают работать.
Задача изобретения состоит в ограничении по меньшей мере некоторых из вышеупомянутых недостатков.
Поставленная задача решена в способе демпфирования колебаний по меньшей мере одной пары вант строительного сооружения, согласно которому ванты указанной пары соединяют демпфером, имеющим первую жесткость на растяжение и вторую жесткость на сжатие, при этом первая жесткость превышает вторую.
Под «жесткостью» демпфера следует понимать соотношение между усилием, развиваемым этим демпфером, и скоростью перемещения (относительного) активного элемента этого демпфера. Жесткость демпфера можно, например, рассматривать как коэффициент пропорциональности между этими двумя величинами усилия и скорости. Если рассматриваемый демпфер использует вязкий элемент, например гидравлическую жидкость, то жесткость демпфера связана с коэффициентом вязкости. Такую жесткость не следует путать с известным понятием пропорциональности между усилием и перемещением (а не скоростью), например, пружины.
Использование такого демпфера позволяет ограничить по меньшей мере некоторые из недостатков вышеупомянутых соединительных канатов. Кроме того, разная жесткость демпфера при работе на растяжение и сжатие позволяет ограничить по меньшей мере некоторые из недостатков вышеупомянутых симметричных демпферов.
Предпочтительно демпфер устанавливают таким образом, чтобы его рабочая ось была по существу перпендикулярной к вантам указанной пары.
Предпочтительно демпфер является демпфером с по существу прямолинейным ходом, при этом такой демпфер может как использовать поршень, так и не использовать его.
Предпочтительно демпфер работает за счет перетекания вязкой жидкости между двумя разделенными поршнем камерами, при этом перетекание вязкой жидкости происходит через по меньшей мере один канал, который создает разность давлений во время прохождения вязкой жидкости между двумя камерами.
Предпочтительно когда демпфер работает на сжатие, создаваемая прохождением жидкости разность давлений меньше, чем при работе демпфера на растяжение.
Предпочтительно при работе демпфера за счет перетекания вязкой жидкости между разделенными поршнем двумя камерами перетекание вязкой жидкости при растяжении происходит через по меньшей мере один первый канал в поршне, закрываемый на выходе по меньшей мере одним первым клапаном, а при сжатии - через по меньшей мере один второй канал в поршне, закрываемый на выходе по меньшей мере одним вторым клапаном.
Предпочтительно гибкость первого клапана меньше гибкости второго клапана, и/или поперечное сечение первого канала меньше поперечного сечения второго канала.
Предпочтительно первая жесткость превышает вторую жесткость по меньшей мере в соотношении 1 к 1,2.
Предпочтительно вторая жесткость близка к нулю.
Предпочтительно одну из вант указанной пары дополнительно соединяют с неподвижным элементом строительного сооружения через демпфер, имеющий первую жесткость на растяжение и вторую жесткость на сжатие, при этом первая жесткость больше второй.
Предпочтительно соединение между демпфером и по меньшей мере одной из вант указанной пары допускает поворот указанной ванты вокруг оси.
Предпочтительно строительное сооружение содержит по меньшей мере одну систему вант, расположенных по существу в одной плоскости и содержащих указанную пару вант.
Предпочтительно демпфер располагают таким образом, чтобы его рабочая ось по существу находилась в указанной плоскости системы вант.
Предпочтительно система вант состоит из по меньшей мере трех вант, а демпферы соединяют по меньшей мере некоторые пары смежных вант системы, при этом по меньшей мере один из указанных демпферов имеет первую жесткость на растяжение и вторую жесткость на сжатие, при этом первая жесткость больше второй.
Предпочтительно демпферы, соединяющие последовательные пары смежных вант системы, не находятся в продолжении друг друга.
Предпочтительно строительное сооружение содержит вантовый мост.
Объектом изобретения является также система, содержащая строительное сооружение и демпфер, выполненный с возможностью демпфирования колебаний по меньшей мере одной пары вант строительного сооружения при помощи вышеупомянутого способа, при этом указанный демпфер соединен с вантами указанной пары и имеет первую жесткость на растяжение и вторую жесткость на сжатие, причем первая жесткость больше второй.
Другие особенности и преимущества настоящего изобретения будут более понятны из последующего описания неограничивающих примеров его осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи.
На фиг.1 схематично показан пример строительного сооружения, содержащего ванты, колебания которых демпфируются согласно одному из вариантов осуществления изобретения;
на фиг.2 детально показано демпфирование части строительного сооружения, показанного на фиг.1;
на фиг.3 схематично показан один из примеров выполнения несимметричного демпфера, который может быть использован при осуществлении способа согласно изобретению;
на фиг.4 изображен график зависимости усилия от скорости несимметричного демпфера, который может быть использован при осуществлении способа согласно изобретению;
на фиг.5-13 показаны различные примеры демпфирования системы вант с множеством несимметричных и при необходимости симметричных демпферов.
Изобретение относится к демпфированию колебаний, по меньшей мере, одной пары вант строительного сооружения. Далее рассмотрен случай, когда демпфируют колебания по меньшей мере двух вант вантового моста. Вместе с тем, этот пример приводится только в качестве иллюстрации и не ограничивает объем изобретения. В качестве альтернативного примера строительного сооружения, содержащего по меньшей мере две ванты, в котором можно применять настоящее изобретение, можно указать здание, колонну и т.д.
На фиг.1 показан вантовый мост 1, содержащий по меньшей мере один пилон 2, дорожное полотно 3 и две системы 4 и 5 вант, которые соединяют дорожное полотно 3 с пилоном 2.
Системы 4 и 5 вант предназначены для поддержки части дорожного полотна 3, которая не опирается на пилоны (в представленном примере часть дорожного полотна находится справа от пилона 2).
Система 4 вант образована набором вант, находящихся по существу в одной плоскости и имеющих наклон вниз и вправо, при этом каждая ванта верхним концом закреплена в соответствующей зоне крепления на пилоне 2, а нижним концом - на дорожном полотне 3. Точно так же, система 5 вант содержит находящийся в одной плоскости набор вант, имеющих наклон вниз и влево, при этом каждая ванта этой системы 5 верхним концом закреплена в соответствующей зоне крепления на пилоне 2, а нижним концом - на дорожном полотне 3.
Как известно, каждая ванта может содержать пучок тросов, закрепленных на своих двух концах, и пластиковую оболочку, охватывающую и защищающую пучок металлических тросов снаружи, в частности, от коррозии. Эта оболочка может быть выполнена, например, из полиэтилена высокой плотности (ПЭВП).
На фиг.2 детально показан участок системы 4 вант, в частности первая 4а и вторая 4b ванты, которые соединены между собой демпфером 6.
Согласно изобретению демпфер 6 выбирают таким образом, чтобы он имел первую жесткость в ответ на усилие растяжения и вторую жесткость в ответ на усилие сжатия и чтобы при этом первая жесткость превышала вторую.
Иначе говоря, в отличие от демпферов, традиционно применяющихся в строительных сооружениях с вантами, демпфер 6 работает по-разному в зависимости от того, работает он на растяжение или на сжатие. На первый взгляд несимметричный демпфер может показаться менее эффективным, чем симметричный. Если жесткость при сжатии является нулевой, эффективность делится приблизительно на два, так как для рассеяния энергии колебаний используется только половина цикла колебания. Эта потеря эффективности делает для специалиста несимметричный демпфер непривлекательным для демпфирования по меньшей мере одной ванты строительного сооружения. Но при таком использовании появляются преимущества, которые будут представлены ниже.
Кроме того, следует отметить, что при тщательно рассчитанной и производимой на месте регулировке можно превысить порог половины среднего демпфирования при помощи немного более «жесткой» регулировки отношения усилие/скорость, чем регулировка при оптимальном линейном вычислении. За счет этого потерю эффективности, связанную с использованием несимметричного демпфера, можно снизить.
Несимметричный демпфер является таким, в котором соотношение между развиваемым им усилием и скоростью перемещения одного из его подвижных элементов отличается в зависимости от того, работает ли он на растяжение или на сжатие.
Неограничивающий пример такого несимметричного демпфера показан на фиг.3, где показан поршневой демпфер с по существу прямолинейным ходом поршня.
Поршень 12 содержит шток 13 и поперечную часть 14. Он перемещается вдоль оси штока 13 внутри корпуса 17. Поперечная часть 14 ограничивает две поршневые камеры 10 и 11, заполненные вязкой жидкостью, например маслом.
Работа на растяжение этого демпфера (то есть когда шток 13 выходит из корпуса 17) схематично показана в левой части фиг.3, тогда как его работа на сжатие (то есть когда шток 13 заходит в корпус 17) схематично показана в правой части фиг.3.
В поперечной части 14 поршня 12 выполнен по меньшей мере один канал 18 (на фиг.3 показано два канала). Соответствующий клапан (или «пластинка») 15 перекрывает выход канала 18, находящийся под поперечной частью 14 поршня 12 в примере, показанном на фиг.3. При работе демпфера на растяжение во время выхода штока 13 из корпуса 17 этот клапан 15 деформируется, пропуская определенное количество масла 9 из камеры 10 в камеру 11.
Аналогично демпфер работает на сжатие. В поперечной части 14 поршня 12 выполнен по меньшей мере один канал 19 (на фиг.3 показано два канала). Соответствующий клапан (или «пластинка») 16 перекрывает выход канала 19, находящийся на поперечной части 14 поршня 12 в примере, показанном на фиг.3. Во время захождения штока 13 в корпус 17 этот клапан 16 деформируется, пропуская определенное количество масла 9 из камеры 11 в камеру 10.
Для обеспечения более высокой жесткости демпфера при работе на растяжение, чем на сжатие, можно предусмотреть несколько возможностей.
Можно, например, использовать клапан 15 с меньшей гибкостью, чем у клапана 16. Эту разность гибкости можно получить, выполняя клапан 15 большей толщины, чем клапан 16. В варианте или дополнительно для клапана 15 можно использовать более жесткий материал, чем для клапана 16. Эти различные возможности должны обеспечивать сопротивление прохождению жидкости 9 из одной камеры в другую, большее для клапана 15, чем для клапана 16.
Как вариант или дополнительно канал 18, используемый при растяжении, имеет поперечное сечение, меньшее поперечного сечения канала 19, используемого при сжатии. Таким образом, прохождение жидкости 9 из камеры 10 в камеру 11 более затруднено при растяжении (то есть встречает большее усилие сопротивления), чем прохождение жидкости 9 из камеры 11 в камеру 10 при сжатии при эквивалентном перемещении поршня 12 относительно корпуса 17.
Можно предусмотреть и другие меры для обеспечения разности жесткости демпфера при работе на растяжение и сжатие вместо или в дополнение к описанным, что может осуществить специалист в данной области.
Описанный выше несимметричный демпфер характеризуется механическим поведением, проиллюстрированным кривой 20 на фиг.4. Эта кривая отражает изменения силы F (возвратная сила), действующей на поршень 12, в зависимости от скорости v перемещения этого поршня 12 относительно корпуса 17. Условно, левая часть графика, где скорость v является отрицательной, соответствует сжатию (С) демпфера, а правая часть графика, где скорость v является положительной, соответствует растяжению (Т) демпфера.
В примере, показанном на фиг.4, поведение используемого несимметричного демпфера можно смоделировать следующим образом.
При сжатии демпфер следует закономерности типа:
c
с
αс
F=λ·v, где
c
F - развиваемое демпфером усилие сжатия;
v - скорость перемещения подвижного элемента демпфера (поршня или другого элемента);
с
λ - коэффициент;
с
α - целое или действительное число, например (но не обязательно), меньшее 1.
При растяжении демпфер следует закономерности типа:
р
р
αp
F=λ·v, где
p
F - развиваемое демпфером усилие растяжения,
v - скорость перемещения активного элемента (поршня или другого элемента) демпфера;
р
λ - коэффициент;
р
α - целое или действительное число, например (но не обязательно), меньшее 1.
с
р
с
р
c
p
c
Коэффициенты λ и λ, с одной стороны, и показатели степени α и α, с другой стороны, не являются идентичными. Они имеют такие значения, чтобы сила F сжатия была меньше, чем сила F растяжения (при данном значении v). Предпочтительно F является небольшой, чтобы не создавать чрезмерной нестабильности.
Со ссылками на фиг.3 описан один пример несимметричного демпфера, однако в рамках настоящего изобретения можно использовать и другие типы несимметричных демпферов при условии, что их жесткость на растяжение будет больше жесткости на сжатие. Такие несимметричные демпферы необязательно должны быть поршневыми и/или с по существу прямолинейной деформацией.
Можно, например, использовать несимметричный демпфер без поршня, работающий на сдвиг за счет деформации вязкоупругого материала.
Точно так же, несмотря на то что показанный на фиг.3 несимметричный демпфер является демпфером пассивного типа, как вариант можно использовать несимметричный демпфер с активным управлением. Такой несимметричный демпфер содержит, например, поршень с датчиком скорости, при помощи которого автоматическая система адаптирует коэффициент вязкости поршня.
Специалист может предусмотреть также другие, более или менее сложные несимметричные демпферы.
p
c
Предпочтительно разность жесткости несимметричного демпфера при растяжении и сжатии должна быть большой. Например, жесткость при растяжении относится к жесткости при сжатии как 1,2 к 1. В примере, представленном на фиг.4, это может выражаться коэффициентом, по меньшей мере в 1,2 раза большим при растяжении (λ), чем при сжатии (λ). Как вариант, отношение жесткости на растяжение к жесткости на сжатие может составлять по меньшей мере 2 к 1, или по меньшей мере 3 к 1, или по меньшей мере 5 к 1, или по меньшей мере 10 к 1. Можно также выбрать отношение по меньшей мере 100 к 1 и даже больше.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения жесткость на сжатие несимметричного демпфера является нулевой или почти нулевой (то есть максимально близкой к нулю). В этом случае демпфер практически не будет оказывать сопротивления при работе на сжатие. Вместе с тем, в рамках настоящего изобретения необязательно, чтобы используемый несимметричный демпфер был абсолютно мягким при сжатии. Эффективность при сжатии возможна и может быть, например, рассчитана в зависимости от жесткости во вращении соответствующей или соответствующих вант и от вычисления стабильности в трех измерениях (3D).
В примере, показанном на фиг.2, демпфер 6 содержит первое соединение 7, шарнирно связанное с первой вантой 4а, и второе соединение 8, шарнирно связанное со второй вантой 4b, смежной с первой вантой 4а. Эти соединения 7 и 8 могут быть соединениями любого известного типа. Одно или другое из этих соединений и даже оба соединения предпочтительно могут быть скользящим соединением, то есть работающим без трения или с очень незначительным трением. Иначе говоря, соединение 7 и/или соединение 8 обеспечивают поворот вокруг оси соответствующей ванты 4а и/или ванты 4b.
Кроме того, демпфер 6 располагают таким образом, чтобы его рабочая ось (в данном случае ось штока поршня) была по существу перпендикулярна к вантам 4а и 4b, с которыми он соединен. Кроме того, в представленном примере рабочая ось демпфера по существу находится в плоскости системы 4 вант. В такой конфигурации эффективность демпфера 6 является максимальной по отношению к колебаниям вант, появляющимся в плоскости системы 4 вант. Вместе с тем, можно предусмотреть и другие конфигурации.
Кроме того, в примере, показанном на фиг.1 и 2, несимметричный демпфер 6 расположен меду каждой парой смежных вант системы 4 вант. Несимметричные демпферы 6, соединяющие последовательные пары смежных вант системы, находятся в продолжении друг друга.
Поскольку при демпфировании колебаний вант вантового моста, показанного на фиг.1, применяют несимметричные демпферы, решается упомянутая во вступительной части проблема выхода вант за пределы плоскости системы.
Все связи между вантами происходят практически только при растяжении или в основном при растяжении, поэтому усилия демпферов всегда стремятся вернуть ванты в систему, к которой они принадлежат. Таким образом, ванты могут лишь незначительно выходить из плоскости системы.
Это обеспечивает, в частности, следующие преимущества:
- устраняется нестабильность за пределами плоскости системы и риск появления угла на уровне соединений с вантами, которые могли бы быть основной причиной ухудшения демпфирования;
- использование несимметричных демпферов позволяет добиться этого результата при меньших затратах и без применения более сложных и, следовательно, более дорогих средств;
- использование несимметричных демпферов позволяет сохранить небольшие размеры для различных деталей;
- устранение нестабильности за пределами плоскости системы позволяет использовать скользящие соединения (обеспечивающие свободное вращение вокруг соответствующих вант) на уровне соединений с вантами и/или отсутствие непрерывности между демпферами, как было упомянуто выше;
- поскольку несимметричные демпферы, соединяющие ванты, в основном работают на растяжение, при определении их размеров можно не учитывать или учитывать лишь в незначительной степени сжатие и продольный изгиб;
- поскольку несимметричные демпферы систематически возвращают ванты в плоскость системы, они демпфируют колебания вант за пределами этой плоскости.
В рамках настоящего изобретения можно предусмотреть большое число вариантов описанного выше примера. Эти варианты позволяют частично или полностью получить вышеперечисленные преимущества.
На фиг.5-13 показаны некоторые из этих вариантов. На этих фигурах позицией 29 обозначены ванты строительного сооружения, такого как вантовый мост, или другого сооружения. Простые связи между некоторыми из этих вант (например, обозначенные позицией 31) могут представлять собой несимметричные демпферы с жесткостью при растяжении, большей, чем при сжатии, тогда как двойные связи между некоторыми из этих вант (например, обозначенные позицией 30) являются симметричными демпферами.
Как показано на этих фигурах, необязательно все последовательные пары смежных вант системы вант соединены несимметричными демпферами. За несимметричным демпфером или за рядом нескольких несимметричных демпферов может следовать симметричный демпфер, или он может быть вставлен между двумя несимметричными демпферами. Можно, например, чередовать симметричные и несимметричные демпферы. Возможно также отсутствие демпфера между двумя смежными вантами системы.
Предпочтительно демпфер, соединяющий последнюю пару (или две последние пары) вант системы, является симметричным, чтобы избежать выхода предпоследней ванты из плоскости системы.
Кроме того, две ванты могут быть соединены несколькими демпферами, в частности, если они имеют большую длину. В этом случае демпферы, соединяющие две ванты, могут быть разными, то есть одни являются симметричными, а другие - несимметричными.
Демпферы, соединяющие последовательные пары смежных вант, могут находиться или не находиться в продолжении друг друга. Для этого можно располагать демпферы с фиксированным смещением между ними, например, таким образом, чтобы промежуток между демпферами, соединяющими две последовательные пары смежных вант, всегда был одинаковым. Как вариант, можно использовать менее равномерное и даже произвольное распределение.
Предпочтительно расположение демпферов можно выбрать таким образом, чтобы гасить любую комбинацию частот, которая может возникать при колебании вант системы, чтобы повысить эффективность демпфирования. Можно также выбрать такое распределение демпферов, которое позволяет избежать узлов собственных мод и, следовательно, избежать концентраций.
В представленных выше примерах использовались несколько несимметричных демпферов, каждый из которых связан с двумя вантами. Однако понятно, что изобретение можно также применять для строительного сооружения, содержащего только одну пару вант. Точно так же, каждый используемый несимметричный демпфер можно соединить более чем с двумя вантами.
Кроме того, при необходимости по меньшей мере одна из двух вант одной пары может быть соединена с неподвижным элементом строительного сооружения при помощи несимметричного демпфера такого же типа, как и демпфер, соединяющий две ванты пары. В случае вантового моста, например, это означает, что, по меньшей мере, одну из двух вант соединяют с пилоном и/или мостовой дорожного полотна при помощи несимметричного демпфера.
В рамках настоящего изобретения специалист может предусмотреть и другие конфигурации и варианты применения.