ВИСЯЧИЙ МОСТ
HANGING BRIDGE

Изобретение относится к области мостостроения, и может быть использован при строительстве, преимущественно, трехпролетных висячих мостов.
Проблема висячих мостов заключается в их невысокой общей аэродинамической устойчивости, приводящей к нарушению эксплуатации моста.
Известен висячий мост с тремя пролетами, позволяющий перекрывать пролеты с максимальной длиной до 2,0 км [Смирнов В.А. Висячие мосты больших пролетов. М.: Высш. шк., 1975. С.18, рис.17].
Висячий мост содержит неразрезную балку жесткости, предназначенную для восприятия временной вертикальной нагрузки, несущий кабель, подвески, предназначенные для соединения балки жесткости с несущим кабелем, анкерные устройства, предназначенные для восприятия распора несущего кабеля, и пилоны, предназначенные для передачи вертикальной и горизонтальной нагрузки от несущего кабеля на фундаменты.
Балка жесткости выполнена с боковыми и центральным пролетами, каждый из которых посредством подвесок соединен с несущим кабелем и поддерживается двумя плоскостями подвесок. Балка жесткости выполнена из стальных секций или железобетонных секций.
Несущий кабель состоит из трех криволинейных ветвей. Несущий кабель по концам закреплен с анкерными устройствами для восприятия распора, а в опорных промежуточных узлах соединен с верхней частью стоек пилона.
По фасаду моста подвески выполнены вертикальными или наклонными.
В качестве анкерного устройства для восприятия распора несущего кабеля использованы анкерные фундаменты в распорных висячих мостах.
Висячий мост работает следующим образом.
Временная вертикальная нагрузка воспринимается балкой жесткости и посредством подвесок передается на несущий кабель. Несущий кабель передает горизонтальные и вертикальные нагрузки на анкерные устройства и на пилоны. Пилоны передают нагрузку от несущего кабеля на фундаменты. Несущий кабель и подвески от действия постоянных и временных вертикальных нагрузок растягиваются и поворачиваются, испытывая большие продольные деформации и совершая кинематические перемещения.
Балка жесткости под действием временных вертикальных нагрузок прогибается. Величина прогиба характеризуется статической жесткостью. При нормативном значении прогибов моста вертикальные перемещения моста характеризуются его нормативной статической жесткостью.
Каждый пилон под действием горизонтального распора, передаваемого ему от несущего кабеля изгибается. Величина изгиба пилона характеризует динамическую жесткость, определяемую через собственные колебания моста.
Величина изгиба характеризует динамическую жесткость, которая определяет аэродинамическая устойчивость через собственные колебания моста.
1
При нормативном значении изгиба пилона все элементы моста характеризуются его нормативной динамической жесткостью. Изгиб пилонов приводит к уменьшению частоты собственных колебаний моста W, и, как следствие, динамическая жесткость моста становится ниже нормативной.
1
Например, при длине центрального пролета 1000 м для 6 полос автомобильной нагрузки класса А-14 прогиб стальной балки жесткости, например, коробчатого сечения, высотой 4,0 м составляет 2,8 м, что соответствует нормативному значению прогибов моста. При этом частота собственных колебаний моста W=0,044 Гц.
Достоинство известного висячего моста заключается в обеспечении статической жесткости, достаточной для безопасной работы моста, что обусловлено созданием нормативных прогибов моста.
Недостаток известного висячего моста заключается в недостаточной для безопасной работы моста аэродинамической устойчивости моста, что обусловлено низкой частотой собственных колебаний моста и, как следствие, его сниженной динамической жесткостью.
Другим недостатком известной конструкции является ограничение области применения при строительстве гигантских пролетов мостов до 3,0 км, что обусловлено также недостаточной динамической жесткостью моста.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является висячий мост с тремя пролетами, позволяющий перекрывать пролеты с максимальной длиной до 2,0 км [Проектирование металлических мостов: учеб. / А.А. Петропавловский [и др.]; под ред. А.А. Петропавловского. - М.: Транспорт, 1982. С.240, рис.7.5].
Висячий мост содержит неразрезную балку жесткости, предназначенную для восприятия временной вертикальной нагрузки, несущий кабель, подвески, предназначенные для соединения балки жесткости с несущим кабелем, анкерные устройства, предназначенные для восприятия распора несущего кабеля, и пилоны, предназначенные для передачи вертикальной и горизонтальной нагрузки от несущего кабеля на фундаменты.
Балка жесткости выполнена с боковыми и центральным пролетами, каждый из которых посредством подвесок соединен с несущим кабелем и поддерживается двумя плоскостями подвесок.
Балка жесткости выполнена из стальных секций или железобетонных секций с неизменяемым сечением по длине балки.
Несущий кабель состоит из трех криволинейных ветвей, при этом средняя ветвь в среднем узле закреплена с балкой жесткости. Несущий кабель расположен сверху от балки жесткости. По концам он закреплен с анкерными устройствами для восприятия распора, а в опорных промежуточных узлах соединен с верхней частью стоек пилона.
По фасаду моста подвески выполнены вертикальными или наклонными, при этом минимальная длина подвески равна 0 (подвеска нулевой длины).
В качестве анкерного устройства для восприятия распора несущего кабеля использованы анкерные фундаменты в распорных висячих мостах.
Висячий мост работает следующим образом.
Временная вертикальная нагрузка воспринимается балкой жесткости и посредством подвесок передается на несущий кабель. Несущий кабель передает горизонтальные и вертикальные нагрузки на анкерные устройства для восприятия распора и на пилоны. Пилоны передают нагрузку от несущего кабеля на фундаменты. Несущий кабель и подвески от действия постоянных и временных вертикальных нагрузок растягиваются и поворачиваются, испытывая большие продольные деформации, и совершают кинематические перемещения.
Балка жесткости под действием временных вертикальных нагрузок прогибается. Величина прогиба характеризуется статической жесткостью. При нормативном значении прогибов моста вертикальные перемещения моста характеризуются его нормативной статической жесткостью.
Фиксация несущего кабеля к балке жесткости приводит к ограничению кинематических перемещений несущего кабеля, ослабляя прогибы моста, что обеспечивает достижение нормативной статической жесткости.
Каждый пилон под действием горизонтального распора, передаваемого ему от несущего кабеля изгибается. Величина изгиба пилона влияет на величину динамической жесткости.
При этом все элементы моста характеризуются его динамической жесткостью, определяемой через собственные колебания моста. Частота собственных колебаний моста зависит от длины подвесок. Подвески меньшей длины увеличивают частоту собственных колебаний моста.
2
Динамическая жесткость моста определяет его аэродинамическую устойчивость, которая характеризуется частотой его собственных колебаний. При изгибе пилонов частота собственных колебаний моста W уменьшается, стремясь снизить динамическую жесткость моста ниже нормативной.
Увеличение частоты собственных колебаний моста за счет уменьшения длины подвески компенсируют уменьшение частоты собственных колебаний моста за счет изгиба пилонов. В результате динамическая жесткость моста приближается к нормативной.
2
Например, при длине центрального пролета 1000 м для 6 полос автомобильной нагрузки класса А-14 прогиб стальной балки жесткости, например, коробчатого сечения, высотой 4,0 м ее составляет 2,4 м, что соответствует нормативному значению прогибов моста, которые характеризуются нормативной статической жесткостью. При этом частота собственных колебаний моста W=0,066 Гц.
Достоинство известного висячего моста заключается в повышении аэродинамической устойчивости моста. Это обусловлено увеличением частоты собственных колебаний моста за счет частичной компенсации частоты собственных колебаний от изгиба пилона частотой собственных колебаний от изменения длины подвесок.
При этом статическая жесткость остается достаточной для безопасной работы моста, что обусловлено созданием нормативных прогибов моста.
Однако даже при увеличении частоты собственных колебаний моста его аэродинамическая устойчивость остается недостаточной для его безопасной работы, особенно в условиях воздействия сильного горизонтального ветрового напора, что является недостатком известной конструкции. Это обусловлено тем, что, во-первых, частота собственных колебаний моста остается опасной из-за значительных изгибов пилонов благодаря слабому подкреплению пилона несущим кабелем. В результате динамическая жесткость и аэродинамическая устойчивость моста остается ниже нормативных значений. Во-вторых, значительный горизонтальный ветровой напор приводит к возникновению вынужденных колебаний, которые еще более снижают аэродинамическая устойчивость моста.
Другим недостатком известной конструкции является ограничение области применения при строительстве гигантских пролетов мостов до 3,0 км, что обусловлено также недостаточной динамической жесткостью моста.
Задача, решаемая изобретением, заключается в разработке висячего моста, обеспечивающего стабильную безопасность в любых условиях его эксплуатации путем обеспечения нормативной аэродинамической устойчивости для гигантских пролетов при работе в условиях значительного горизонтального ветрового напора за счет приближения частоты собственных колебаний моста и динамической жесткости к нормативным значениям благодаря усилению пилона с компенсацией сжимающих усилий распора, возникающих при усилении пилона, при сохранении статической жесткости, достаточной для безопасной работы моста.
a
o
o
a
o
o
Для решения поставленной задачи в висячем мосте, по крайней мере, с тремя пролетами, содержащим неразрезную балку жесткости, предназначенную для восприятия временной вертикальной нагрузки, основной несущий кабель, предназначенный для восприятия веса балки жесткости, подвески, предназначенные для соединения балки жесткости с несущим кабелем, анкерные устройства, предназначенные для восприятия распора несущего кабеля, фундамент, предназначенный для восприятия реакций от веса балки жесткости, пилоны, предназначенные для передачи вертикальной и горизонтальной нагрузки от несущего кабеля на фундаменты, при этом основной несущий кабель по концам закреплен с анкерными устройствами для восприятия распора, а в опорных промежуточных узлах соединен с верхней частью стоек пилона, образуя боковые и центральный пролеты балки жесткости, которая подвесками соединена с основным несущим кабелем, в него введены дополнительные несущие кабели по количеству пилонов моста, предназначенные для восприятия веса балки жесткости, которые по концам соединены с балкой жесткости, а средним узлом - с соответствующим пилоном, при этом длина горизонтальной проекции каждого дополнительного несущего кабеля равна L=(0,2-0,3)L, где L - центральный пролет, высота соединения дополнительного несущего кабеля с пилоном равна H=(0,5-1,0)H, где H - высота пилона над уровнем балки жесткости, часть каждого бокового пролета балки жесткости от анкерного устройства до узла соединения ее с дополнительным несущим кабелем и средняя часть центрального пролета балки жесткости между узлами соединения ее с дополнительным несущим кабелем выполнены из стальных секций, а балка жесткости между узлами соединения ее с дополнительным несущим кабелем с каждой стороны моста выполнена из железобетонных секций.
a
o
o
a
o
o
Введение в висячем мосте дополнительных несущих кабелей по количеству пилонов моста, предназначенные для восприятия веса балки жесткости, выбор длины горизонтальной проекции каждого дополнительного несущего кабеля равным L=(0,2-0,3)L, где L - центральный пролет, и высоты соединения дополнительного несущего кабеля с пилоном равным H=(0,5-1,0)H, где H - высота пилона над уровнем балки жесткости, а также выполнение части каждого бокового пролета балки жесткости от анкерного устройства до узла соединения ее с дополнительным несущим кабелем и средняя часть центрального пролета балки жесткости между узлами соединения ее с дополнительным несущим кабелем из стальных секций, а балка жесткости между узлами соединения ее с дополнительным несущим кабелем с каждой стороны моста из железобетонных секций отличает заявляемое решение от прототипа. Наличие существенных отличительных признаков свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности изобретения «новизна».
Наличие новых существенных признаков в совокупности с существенными признаками висячего моста приводит к повышению безопасности работы висячего моста с гигантскими пролетами в любых условиях его эксплуатации, включая значительный горизонтальный ветровой напор, благодаря обеспечению нормативной аэродинамической устойчивости гигантских пролетов при сохранении статической жесткости, достаточной для безопасной работы моста.
Это обусловлено тем, что, дополнительное подкрепление пилона несущим кабелем в определенном уровне приводит к усилению пилона и, как следствие, к увеличению частоты собственных колебаний моста и к увеличению его динамической жесткости и аэродинамической устойчивости гигантских пролетов.
Кроме того, усиление пилона приводит к возникновению сжимающих усилий распора, которые компенсируются дополнительно возникающими в балке жесткости силами упругости благодаря выполнению балки жесткости с кусочно-постоянным сечением. Компенсация сжимающих усилий распора приводит к увеличению аэродинамической устойчивости гигантских пролетов.
Одновременно выполнение балки жесткости с кусочно-постоянным сечением приводит к увеличению сил демпфирования, которые снижают амплитуду вынужденных колебаний моста при воздействии ветрового напора, что также увеличивает аэродинамическую устойчивость гигантских пролетов моста.
Увеличение динамической жесткости и снижение амплитуды вынужденных колебаний моста обеспечивают достижение нормативной аэродинамической устойчивости и стабильную безопасность моста в любых условий эксплуатации, что позволяет использовать конструкцию для строительства висячих мостов с гигантскими пролетами.
a
o
o
a
o
o
Причинно-следственная связь «Введение в висячем мосте дополнительных несущих кабелей по количеству пилонов моста, выбор длины горизонтальной проекции каждого дополнительного несущего кабеля равным L=(0,2-0,3)L, где L - центральный пролет, и высоты соединения дополнительного несущего кабеля с пилоном равным H=(0,5-1,0)H, где H - высота пилона над уровнем балки жесткости, а также выполнение части каждого бокового пролета балки жесткости от анкерного устройства до узла соединения ее с дополнительным несущим кабелем и средняя часть центрального пролета балки жесткости между узлами соединения ее с дополнительным несущим кабелем из стальных секций, а балка жесткости между узлами соединения ее с дополнительным несущим кабелем с каждой стороны моста из железобетонных секций приводит к повышению безопасности работы висячего моста в любых условиях его эксплуатации путем обеспечения нормативной аэродинамической устойчивости для гигантских пролетов за счет приближения частоты собственных колебаний моста и динамической жесткости к нормативным значениям благодаря усилению пилона с компенсацией сжимающих усилий распора, возникающих при усилении пилона» не обнаружена в уровне техники и явным образом следует из него.
Следовательно, она является новой. Наличие новой причинно-следственной связи свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности изобретения «изобретательский уровень».
На фигуре представлена схема висячего моста, подтверждающая работоспособность и «промышленную применимость» изобретения,
Висячий мост с тремя пролетами содержит неразрезную балку жесткости 1, предназначенную для восприятия временной вертикальной нагрузки, основной несущий кабель 2, предназначенный для восприятия веса балки жесткости 1, подвески 3, предназначенные для соединения балки жесткости 1 с несущим кабелем 2, анкерные устройства 4, предназначенные для восприятия распора несущего кабеля 2, фундамент 5, предназначенный для восприятия реакций от веса балки жесткости 1, пилоны 6, предназначенные для передачи вертикальной и горизонтальной нагрузки от несущего кабеля 2 на фундаменты 5, и не менее двух дополнительных несущих кабелей 7, предназначенных для восприятия веса балки жесткости 1.
1
o
Балка жесткости 1 выполнена с боковыми пролетами 8 с длиной L, равной расстоянию от анкерного устройства 4 до пилона 6, и центральным пролетами 9 с длиной L, равной расстоянию между пилонами 6, и поддерживается двумя плоскостями подвесок 3.
Основной несущий кабель 2 состоит, по крайней мере, из трех криволинейных ветвей и расположен сверху от балки жесткости 1. По концам он закреплен с анкерными устройствами 4 для восприятия распора, а в опорных промежуточных узлах соединен с верхней частью стоек пилона 6.
Основной несущий кабель 2 соединен с балкой жесткости 1 подвесками 3, которые по фасаду моста выполнены вертикальными или наклонными.
a
o
a
o
о
Каждый дополнительный несущий кабель 7 состоит из двух криволинейных ветвей и расположен сверху от балки жесткости 1. Длина горизонтальной проекции каждого дополнительного несущего кабеля 7 равна L=(0,2-0,3)L. В среднем узле каждый дополнительный несущий кабель 7 соединен с соответствующим пилоном 6. Узел соединения дополнительного несущего кабеля 7 с пилоном 6 расположен на высоте H=(0,5-1,0)H, где Н - высота пилона 6 над уровнем балки жесткости 1. Концы каждого дополнительного несущего кабеля 7 соединены с балкой жесткости 1.
Балка жесткости 1 выполнена составной: из стальных и железобетонных секций. Часть каждого бокового пролета 8 балки жесткости 1 от анкерного устройства 4 до узла соединения ее с дополнительным несущим кабелем 7 выполнена из стальных секций. Средняя часть центрального пролета 9 балки жесткости 1 между узлами соединения ее с дополнительным несущим кабелем 7 также выполнена из стальных секций. Балка жесткости 1 между узлами соединения ее с дополнительным несущим кабелем 7 с каждой стороны моста выполнена из железобетонных секций.
При наличии дополнительных несущих кабелей 7 балка жесткости 1 испытывает горизонтальные усилия распора (обжимающие усилия), которые стремятся нарушить устойчивость секций между узлами соединения балки жесткости 1 с дополнительным несущим кабелем 7. Компенсация потери устойчивости обеспечивается увеличением сечения секций между узлами соединения балки жесткости 1 с дополнительным несущим кабелем 7, что достигается выполнением секций из железобетона, которые в отличие от стальных секций имеют большее сечение при одинаковых габаритах секций. Таким образом, балка жесткости 1 выполнена с кусочно-постоянным сечением по длине балки жесткости 1, что позволяет компенсировать горизонтальные усилия распора (обжимающие усилия), обеспечивая устойчивость этих железобетонных секций.
Для восприятия распора основного несущего кабеля 2 использованы анкерные устройства 4.
В висячем многопролетном мосте количество дополнительных несущих кабелей 7 соответствует количеству пилонов 6.
a
o
a
o
Выбор длины L горизонтальной проекции каждого дополнительного несущего кабеля 7 больше 0,3 L, приводит к горизонтальным усилиям распора, превышающим предел устойчивости балки жесткости 1. Выбор длины L горизонтальной проекции каждого дополнительного несущего кабеля 7 меньше 0,2L является конструктивно нерациональным.
o
o
Выбор высоты На соединения дополнительного несущего кабеля 7 с пилоном 6 больше 1,0 H, ограничивается высотой пилона 6. Выбор высоты На соединения дополнительного несущего кабеля 7 с пилоном 6 меньше 0,5 H, является конструктивно нерациональным.
Висячий мост работает следующим образом.
Временная вертикальная нагрузка воспринимается балкой жесткости 1 и передается посредством подвесок 3 на основной несущий кабель 2 и дополнительные несущие кабели 7.
Основной несущий кабель 2 передает горизонтальные и вертикальные нагрузки на анкерные устройства 4 для восприятия распора и на пилоны 6.
Дополнительные несущие кабели 7 передают горизонтальные и вертикальные нагрузки на железобетонные секции балки жесткости 1 и на пилоны 6.
Основной несущий кабель 2, дополнительные несущие кабели 7 и подвески 3 от действия постоянных и временных вертикальных нагрузок растягиваются и поворачиваются.
Балка жесткости 1 под действием временных вертикальных нагрузок прогибается. Величина прогиба характеризуется статической жесткостью. При нормативном значении прогибов моста вертикальные перемещения моста характеризуются его нормативной статической жесткостью.
В железобетонной секции балки жесткости 1 под действием распора дополнительного несущего кабеля 7 возникает значительная продольная сила, сжимающая балку жесткости 1 (с компенсацией сжимающих усилий распора, возникающих при усилении пилона 6).
Каждый пилон 6 под действием горизонтального распора, передаваемого ему от основного несущего кабеля 2 и дополнительных несущих кабелей 7, изгибается и передает нагрузку на фундаменты 5. Величина изгиба влияет на величину динамической жесткости.
При этом все элементы моста характеризуются его динамической жесткостью, определяемой через собственные колебания моста. Частота собственных колебаний моста зависит от количества подкреплений пилонов 6 основным несущим кабелем 2 и дополнительными несущими кабелями 7.
3
Динамическая жесткость моста определяет его аэродинамическую устойчивость, которая характеризуется частотой его собственных колебаний. При изгибе пилонов 6 частота собственных колебаний моста W уменьшается, стремясь снизить динамическую жесткость моста ниже нормативной.
Увеличение частоты собственных колебаний моста за счет увеличения количества подкреплений пилонов 6 основным несущим кабелем 2 и дополнительными несущими кабелями 7 компенсируют уменьшение частоты собственных колебаний моста за счет изгиба пилонов 6. В результате динамическая жесткость моста возрастает по сравнению с нормативной.
При обтекании балки жесткости 1 ветровым напором возникают вынужденные колебания моста, обусловленные завихрениями воздуха.
Эти завихрения возбуждают опасные вертикальные и крутильные колебания во всех элементах моста, амплитуда которых уменьшается силами демпфирования балки жесткости 1.
На участках железобетонных секций балки жесткости 1 силы демпфирования достигают значительных величин в силу высокого декремента затухания железобетона, что приводит к снижению амплитуды вынужденных колебаний моста.
Влияние на снижение амплитуды вынужденных колебаний моста на участках стальных секций балки жесткости 1 незначительно в силу низкого декремента затухания стали.
Для подтверждения достижения технического результата было проведено математическое моделирование статической и динамической работы висячего моста длиной 5000 м.
o
1
a
Длина центрального пролета 9 моста составляет L=2500 м, а длина боковых пролетов 8 моста L=1250 м. Длина горизонтальной проекции дополнительных несущих кабелей 7 L=625 м.
b
Длина центральной стальной секции балки жесткости 1 L=1250 м. Длина железобетонных секции балки жесткости 1 равна 1250 м.
o
a
Высота пилона 6 над уровнем балки жесткости 1 H=260 м. Высоты соединения дополнительного несущего кабеля 7 с пилоном 6 H=130 м.
Длина секций балки жесткости 1 коробчатого сечения высотой 7,0 м и шириной 30 м равна 50 м.
Балка жесткости 1 загружается 6 полосами автомобильной нагрузки класса А-14. Максимальный прогиб балки жесткости 1 центрального пролета, например, составляет 6.5 м, что соответствует нормативному значению прогибов моста.
3
3
3
Частота собственных колебаний моста W=0,120 Гц (нормативная частота собственных колебаний моста лежит в пределах W<1,7 Гц и W>2,2 Гц).
2
Для горизонтального ветрового напора v=350 тс/м вынужденные колебания моста составляют 0,025 Гц, т.е. возникновение резонанса не происходит.
Использование заявляемой конструкции в висячих мостах с гигантскими пролетами позволяет обеспечить их стабильную безопасность в любых условиях эксплуатации.