Файлы по мостам / Королёв А.А. Диплом / Дипломы / Архив / Мосты больших пролетов (Курс лекций)

МОСТЫ БОЛЬШИХ ПРОЛЕТОВ (курс лекций)

В=18,3 м (В/L=1/47) см. рис. 13.13 и 13.14. Диаметр каждого из двух несущих кабелей моста 2× 50,8 см.

Рис. 13.14. Ферма жесткости Такомского моста

Катастрофа Такомского моста доказала недостаточность проверки конструкций мостов только на прочность, жесткость и динамическую устойчивость, в

современной практике мостостроения, проблемы обеспечения аэродинамической устойчивости висячих и вантовых мостов вышли на первый план.

Исследования показали, что аэродинамическая устойчивость зависит:

1. От частоты собственных колебаний (изгибных и крутильных) и их

соотношения (важной особенностью автоколебаний является то, что аэродинамические силы действуют с той же частотой, с которой колеблется мост);

2.От аэродинамических характеристик (обтекаемости) конструкций,

подвешиваемых к кабелям;

3.От соотношения критической для данного моста скорости ветра и максимально возможной скорости ветра в районе строительства.

В настоящее время выработаны различные приближенные критерии оценки аэродинамической устойчивости висячих мостов, один из них предложен американским инженером Р.Амманом:

1,6×	m	+ 160×		I			≥ 0,6;
	f			L		4
		(			)
				100

Алексей Барановский

160

МОСТЫ БОЛЬШИХ ПРОЛЕТОВ (курс лекций)

здесь:

m – интенсивность постоянной нагрузки на одну плоскость висячей системы; f – стрела провисания кабеля;

I – момент инерции балки жесткости; L – пролет висячей системы.

Еще один критерий приближенной					оценки предложен инженером
Д.Штейманом:
hб ≥ 0,001×		L × (8,33 + 0,0033× L),
	EI ≥		0,737×		B × L4
			104 ×		f
ω	2	×		m2	≥ 0,024
	верт,i			g × B2

здесь:

hб – высота балки (фермы) жесткости;

E – модуль упругости материала балки жесткости; В – ширина висячей системы.

Представленные выше формулы позволяют предварительно назначить размеры балки (фермы) жесткости, в случае невыполнения условий параметры сооружения следует скорректировать.

Методика проверки аэродинамической устойчивости мостов сводится к определению критической скорости ветра для каждого конкретного

пролетного строения. (Для некоторых систем висячих мостов определить критическую скорость ветра можно по графику [2] стр. 215).

Критическая скорость ветра Vкр определяется в зависимости от:

–формы и размеров конструкции;

–массы конструкции;

–динамических характеристик балки жесткости;

–климатических условий региона и т.д., причем влияние отдельных факторов в настоящее время оценивается лишь экспериментальным путем или приближенно.

Vкр>>Vр

здесь Vр – расчетная скорость ветра, т.е. максимально возможная, для данного района строительства (обычно Vр=25…35 м/сек.). Считается, что в самую большую бурю

Алексей Барановский

161

МОСТЫ БОЛЬШИХ ПРОЛЕТОВ (курс лекций)

скорость ветра не превышает 45 м/сек. Скорость тайфунного ветра достигает 75 м/сек. Самые сильные ветры в нашей стране наблюдаются на побережье Тихого, Ледовитого океанов и на Южном Урале (см. также табл. 13.1).

	В приближенных вычислениях Vкр = Vкр, м×	ω к	× В ,
		2× π

здесь:

Vкр, м – приведенная критическая скорость полученная при испытании модели; ω к – частота свободных крутильных колебаний; В – ширина моста в метрах (подробнее см. [8]).

Критические скорости ветра Vкр, соответствующие появлению ветрового резонанса, находятся в «опасном» диапазоне для висячих и вантовых мостов с пролетами от 100 до 250 м, что связано с закономерностью: Vкр =d/(Sh× Тверт.).

Критическая скорость ветра – это такая скорость, которая вызывает опасные

колебания конструкций моста, т.е. при которой на данном пролетном строении возникает одно из аэроупругих явлений (флаттер, бафтинг, галопироваиие, дивергенция или ветровой резонанс).

1.Флаттер (изгибно-крутильный или классический) – связанные изгибно-крутильные быстро нарастающие во времени самовозбуждающиеся колебания. Причина в несовпадении точки приложения аэродинамических сил с центром изгиба поперечного сечения балки жесткости моста; срывной флаттер возникает за счет срыва воздушных вихрей. Надежной основой для исследования опасности возникновения флаттера, до сих пор являются лишь эксперименты, чисто аналитических методов не существует.

2.Бафтинг наблюдается у элементов конструкции, находящихся в турбулентном потоке или в следе за другими элементами из-за интерференции аэродинамических сил.

3.Ветровой резонанс – нарастание амплитуд автоколебаний поперек потока воздуха, наблюдаемое при совпадении частоты срыва вихрей Кармана с одной из собственных частот колебаний.

4.Галопирование (раскачивание), которому подвержены плохо обтекаемые гибкие элементы с аэродииамиски неустойчивыми поперечными сечениями (квадратными или прямоугольными). Подобные явления чаще всего возникают у канатов в случае их покрытия льдом. Галопирование опаснее резонанса, так как оно нарастает с увеличением скорости потока даже выше критической, а резонанс возникает только при критической скорости ветра.

5.Параметрический резонанс заключается в перекачке энергии вертикальных колебаний в горизонтальные и наоборот.

6.Дивергенция – потеря устойчивости от крутильных колебаний.

Алексей Барановский

162

МОСТЫ БОЛЬШИХ ПРОЛЕТОВ (курс лекций)

13.3.2. Меры по повышению аэродинамической устойчивости

В настоящее время проблема обеспечения аэродинамической устойчивости мостовых сооружений решается двумя путями:

1. Американский – связан с повышением изгибной и крутильной жесткости сооружения; 2. Европейский – связан с поиском конструктивных форм отличающихся

хорошими аэродинамическими свойствами с точки зрения обтекания их ветровым потоком.

Меры по повышению аэродинамической устойчивости висячих и вантовых мостов, прежде всего направлены на уменьшение различных видов колебаний:

вертикальных, горизонтальных, крутильных и изгибно-крутильных.

против вертикальных колебаний:

–повышение изгибной жесткости пролетного строения;

–увеличение постоянной нагрузки.

против горизонтальных колебаний:

–увеличение ширины моста;

–постановка ветровых горизонтальных предварительно напряженных

оттяжек.

против крутильных колебаний:

–применение в качестве балок жестких пространственных конструкций, в

первую очередь, коробчатых.

–против изгибно-крутильных колебаний:

–применение ферм жесткости (дробление воздушного потока) (рис.13.15);

а) б)

Рис. 13.15. Схемы сечения балок (ферм) жесткости висячих мостов

а – мост через пролив Маккинак (548+1157+548), б – Фортский мост (409+1006+409)

Алексей Барановский

163

МОСТЫ БОЛЬШИХ ПРОЛЕТОВ (курс лекций)

– применение балок жесткости улучшенной обтекаемости или устройство обтекателей из легких металлов для обычных балок (см. рис. 13.16 и 13.17);

2

1

а)

б)

Рис. 13.16. Схемы сечения балок жесткости висячих мостов а – мост через р. Северн (305+988+305), б – пролив Малый Бельт, Дания (240+600+240)

1 – закрылки, 2 – продольные решетчатые фермы

Рис. 13.17. Элемент обтекателя вантового моста через Неву

– применение сквозной проезжей части из систем вертикальных ребер вместо плиты, т.н. аэродинамически «прозрачного» настила (т.н. настила с прорезями,

настила с перфорацией, просеченно-вытяжного настила), а также бордюров и

продольных балок с прорезями для пропуска ветрового потока (см. рис. 13.18).

В такого рода конструкциях, течение воздушного потока оказывается беспорядочным, вследствие чего возможность изгибных вертикальных колебаний становится маловероятной.;

Рис. 13.17. Сквозная конструкция проезжей части балки жесткости

Алексей Барановский

164

МОСТЫ БОЛЬШИХ ПРОЛЕТОВ (курс лекций)

–устройство в элементах конструкции специальных каналов-шлюзов для сквозного пропуска ветрового потока;

–использование характерных особенностей рельефа местности,

обуславливающих естественную турбуляцию ветрового потока в нижнем, приземном слое атмосферы;

–применение железобетонных балок жесткости, вследствие большой массы, а также по причине быстрого (в 2…3 раза) затухания колебаний, железобетонные вантовые мосты в отношении аэродинамической устойчивости не создают проблем.

Последние данные аэродинамических испытаний моделей крупных мостов показывают, что многовантовые системы с двумя плоскостями радиально расположенных вант и висячие мосты с наклонным расположением подвесок и коробчатыми балками малой высоты (L/300) имеющими обтекаемый профиль сечения, практически не подвержены опасным аэроупругим колебаниям.

Алексей Барановский

165

МОСТЫ БОЛЬШИХ ПРОЛЕТОВ (курс лекций)

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.						Казакевич М.И.
						Аэродинамика мостов. –
						М.:Транспорт, 1987. - 240 с.
2.						Качурин В.К., Брагин А.В., Ерунов Б.Г.
						Проектирование висячих и вантовых мостов. –
						М.: Транспорт, 1971. - 282 с.
3.						Перельмутер А.В.
						Основы расчета вантово-стержневых систем. –
						М.:Стройиздат, 1969. - 192 с.
4.						Петропавловский А.А. и др.
						Проектирование деревянных и железобетонных мостов. –
						М.: Транспорт, 1978. - 360 с.
5.						Петропавловский А.А. и др.
						Проектирование металлических мостов. –
						М.: Транспорт, 1982. - 320 с.
6.						Петропавловский А.А. и др.
						Вантовые мосты. –
						М.: Транспорт, 1985. - 224 с.
7.						Смирнов В.А.
						Висячие мосты больших пролетов. –
						М.: Высшая школа, 1975. - 368 с.

Алексей Барановский

166

					МОСТЫ БОЛЬШИХ ПРОЛЕТОВ
					(курс лекций)
8.					Бахтин С.А.
					Висячие и вантовые мосты. –
					Новосибирск, 1990. - 108 с. (учебное пособие)
9.					Богатырев А.И., Шулькин Ю.Б., Елизаров С.В.
					Статический расчет висячих мостов по деформированной схеме. –
					Л.: ЛИИЖТ, 1989. - 33 с. (методические указания)
10.					Брагин А.В., Шайкевич В.Л.
					Расчет вантовых мостов. –
					Л.:ЛИСИ,1986. - 36 с. (методические указания)
11.					Гайдаров Ю.В.
					Вантовые конструкции. –
					Л.:ЛИИЖТ, 1972. - 72 с. (методические указания)
12.					Крамарев С.Я.
					Определение усилий в стержнях вантовых ферм. –
					Л.:ЛИИЖТ, 1954. - 35 с. (учебное пособие)
13.					Максарев Е.Д.
					Технико-экономическая характеристика висячих и вантовых мостов. –
					Л.: ЛИИЖТ, 1988. - 26 с. (методические указания)
14.					Русаков И.М.
					Проектирование мостов. Задание на контрольную работу по висячим и
					разводным мостам с методическими указаниями для студентов VI
					курса специальности мосты и тоннели. –
					М.:ВЗИИТ, 1973.
15.					Сильницкий Ю.М.
					Вантовые мосты. –
					Л.: ЛИИЖТ, 1972. - 72 с. (методические указания)
16.					Сильницкий Ю.М.
					Висячие мосты. –
					Л.: ЛИИЖТ, 1969. - 86 с. (методические указания)

Алексей Барановский

167

МОСТЫ БОЛЬШИХ ПРОЛЕТОВ (курс лекций)

ПРИЛОЖЕНИЯ

Алексей Барановский

168

МОСТЫ БОЛЬШИХ ПРОЛЕТОВ (курс лекций)

МОСТ АКАСИ КАЙКЕ (AKASHI KAIKYO)

Расположенный вблизи города Кобе мост представляет собой важнейшее звено авто- и железнодорожной транспортной системы, соединяющей острова Хонсю и Сикоку. Центральный пролет висячего трехпролетного моста равен 1990,8 м, (в настоящее время является мировым рекордом), пилоны высотой 297 м и решетчатая балка жесткости выполнены из стали. Мост введен в эксплуатацию в 1998 г (см. рис. 1 и 2).

Рис. 1. общий вид моста Акаси Кайке

Рис. 2. Схема моста

Помимо рекордного пролета мост служит памятником инженерному гению еще и потому, что он расположен в зоне высокой сейсмической активности. В ходе строительства незаконченное сооружение выдержало несколько тайфунов и жесточайшее землетрясение 1995 г. Эпицентр располагался всего в 3,2 км от центра моста. После землетрясения было обнаружено смещение фундаментов опор, вызванное движением земной коры, до 72 см по горизонтали и 22 см по вертикали. Возникла необходимость в перепроектировании балки жесткости. Возведенные конструкции почти не пострадали, дополнительные усилия в элементах конструкции, возникшее от изменения конфигурации моста, определенные с помощью пространственного расчета, оказались незначительными.

Алексей Барановский

169