Современные тенденции строительной индустрии связаны с развитием конструктивных форм, применением новых высокопрочных марок сталей и других материалов, совершенствованием методов расчета, улучшением эксплуатационных свойств, повышением надежности и долговечности, обеспечением безопасности человека на всех стадиях эксплуатации сооружения, а также с охраной окружающей среды. Этому способствует широкое внедрение в строительство гибких конструкций различного назначения, в том числе висячих и вантовых мостов, переходов, трубопроводов, галерей и других линейно-протяженных сооружений.
В обычных сооружениях ветровая нагрузка играет второстепенную роль, поэтому влиянию ветра на прочность и надежность конструкций не уделяют особого внимания. Тем не менее в таких конструкциях, как большепролетные висячие и вантовые мосты, влияние ветра на прочность и надежность велико. Большая их протяженность, неблагоприятные динамические свойства (низкие частоты и весьма малые значения логарифмических декрементов колебаний), а также неблагоприятные аэродинамические формы поперечного сечения балок жесткости делают их весьма чувствительными к действию ветра и требуют изменения традиционных подходов в проектировании и строительстве мостов.
Аэродинамика мостов в общей проблеме обеспечения их аэродинамической устойчивости как одно из направлений динамики сооружений своим рождением обязана висячему мосту Такома в США, катастрофа которого в 1940 г. привлекла внимание не только инженеров-мостостроителей, но и многих ученых в области теоретической механики, аэрогидромеханики. Такомская катастрофа положила начало систематическим исследованиям ветровых воздействий на висячие и вантовые мосты. Последняя четверть века отмечена интенсивными теоретическими и экспериментальными исследованиями в области аэродинамики строительных конструкций, в том числе мостов. К настоящему времени накоплен большой опыт в проектировании отдельных классов сооружений, но почти полностью исключается возможность использования его в аэродинамических расчетах других видов конструкций.
В проектировании и сооружении мостовых конструкций, чувствительных к действию ветра, прослеживаются три этапа.
На первом этапе доминировало внимание к статической прочности мостов путем повышения изгибной жесткости сооружений; аэродинамическая устойчивость при этом обеспечивалась совершенно случайно.
Начало второго этапа связано с крушением Такомского моста. С этого периода вопросу аэродинамической устойчивости большепролетных висячих мостов уделяется особое внимание; широко применяются испытания моделей в аэродинамических трубах с целью выявления и повышения аэродинамической устойчивости сооружений.
Третий этап характеризуется научно обоснованным подходом к выбору конструктивных форм мостов с точки зрения обеспечения их аэродинамической устойчивости, т. е. способности конструкций противостоять воздействиям ветра [27].
Аэродинамика мостов, как, впрочем, и любых других тел, охватывает аэромеханику и аэроупругость. Аэромеханика изучает аэродинамические силы, действующие на конструкции при обтекании их ветровым потоком. Аэроупругость рассматривает физико-технические процессы и явления, возникающие при взаимодействии конструкций с потоком, т. е. поведение конструкций в потоке, реакцию сооружений и (или) их отдельных элементов на действие ветрового потока. Разнообразие явлений, влияние различных физических и геометрических факторов на их возникновение и условия существования, а также влияние самих явлений на надежность конструкций, обтекаемых потоком жидкости или газа, ставят проблему аэродинамической устойчивости мостов в число важных и в научном, и в прикладном значении.
Основные успехи фундаментальных основ в аэрогидродинамике будут, по-видимому, достигнуты в результате развития простых теорий для простых и понятных ситуаций. В дальнейшем же могут рассматриваться более сложные обстоятельства, которые связаны прежде всего с разработкой численных моделей, обобщающих простейшие ситуации. Во всех без исключения случаях только взаимное развитие теории и эксперимента даст возможность получать достоверные результаты. В этой связи одной из приоритетных областей аэрогидродинамики, которые предстоит в ближайшие два-три десятилетия интенсивно развивать, является взаимодействие потока с конструкциями.
Вопросы обеспечения аэродинамической устойчивости мостовых конструкций в современном понимании получили более широкое толкование как по форме, так и по содержанию. Более глубоким стало изучение действия ветра на конструкции, реакции сооружений на однородный и турбулентный поток. Наряду с дальнейшим развитием теоретических методов и экспериментальных лабораторных исследований должное внимание стали уделять натурным испытаниям и наблюдениям. Комплексное экспериментальное изучение проблемы совместно с теоретическими исследованиями позволяет создать надежные основы расчета конструкций на ветровую нагрузку.
Отечественный опыт расчета конструкций на ветровую нагрузку с учетом действия пульсаций ветра и динамических свойств конструк4
ций получает все более широкое признание за рубежом. Однако он ограничен относительно узким классом сооружений и не распространяется на многие типы современных конструкций, имеющих большое развитие. В этих случаях приходится переходить на расчет с искусственным введением условного динамического коэффициента или принимать в расчете значение скорости ветра в порыве, а не осредненное при двух- или десятиминутном интервале времени.
Анализ поведения конструкций в ветровом потоке обнаруживает наряду со статическими деформациями изгиба в плоскости действия ветра и бокового выпучивания из этой плоскости большое разнообразие явлений аэроупругой статической и динамической неустойчивости 12, 24]. Они обусловлены формой поперечного сечения, конфигурацией сооружения и его ориентацией относительно направления ветрового потока, упругими и демпфирующими свойствами конструкций, структурой ветра и другими обстоятельствами. Эти явления связаны с определенным типом колебаний и заслуживают особого внимания с точки зрения механизма их возникновения. В то же время они представляют серьезную опасность для надежности и долговечности конструкций, а также для пребывания человека на этих конструкциях. Среди них наиболее известны колебания вихревого возбуждения (ветровой резонанс) и галопирование.
Математические модели этих явлений, наиболее достоверно описывающие характер колебаний, а также критерии возникновения и условия их существования, позволяют не только оценить уровни колебаний, т. е. их амплитуды и частоты, но и управлять ими с помощью механического (конструкционного) демпфирования конструкций.
Наиболее опасные виды аэроупругих колебаний — баф- тинг и изгибно-крутильный флаттер. Возникающие при этих явлениях колебания в течение малого промежутка времени неограниченно нарастают, и напряжения в элементах конструкций достигают таких значений, которые могут привести сооружение к разрушению.
В 70—80-х годах в нашей стране наметился повышенный интерес к висячим системам, и в частности к висячим и вантовым мостам и трубопроводным переходам. Вантовые городские мосты через реки Днепр в Киеве и Днепропетровске, Даугаву в Риге, Шексну в Череповце с рекордными в нашей стране пролетами 200—320 м по своим техническим решениям и экономическим показателям не уступают лучшим образцам зарубежного мостостроения. Их создание свидетельствует об инженерных возможностях и наличии необходимой производственной базы. Создание висячих трубопроводных мостов через реки Амударью у г.Газли (390 м), Амударью у пос. Келиф (660 м) и Днепр у г. Днепропетровска (720 м), предназначенных для транспорта нефти, газа и аммиака, вывели нашу страну на передовые рубежи современного мостостроения. Они проектировались на современной научной основе и потребовали широкого комплекса теоретических и экспериментальных исследований на всех стадиях создания сооружений.
В обычных сооружениях ветровая нагрузка играет второстепенную роль, поэтому влиянию ветра на прочность и надежность конструкций не уделяют особого внимания. Тем не менее в таких конструкциях, как большепролетные висячие и вантовые мосты, влияние ветра на прочность и надежность велико. Большая их протяженность, неблагоприятные динамические свойства (низкие частоты и весьма малые значения логарифмических декрементов колебаний), а также неблагоприятные аэродинамические формы поперечного сечения балок жесткости делают их весьма чувствительными к действию ветра и требуют изменения традиционных подходов в проектировании и строительстве мостов.
Аэродинамика мостов в общей проблеме обеспечения их аэродинамической устойчивости как одно из направлений динамики сооружений своим рождением обязана висячему мосту Такома в США, катастрофа которого в 1940 г. привлекла внимание не только инженеров-мостостроителей, но и многих ученых в области теоретической механики, аэрогидромеханики. Такомская катастрофа положила начало систематическим исследованиям ветровых воздействий на висячие и вантовые мосты. Последняя четверть века отмечена интенсивными теоретическими и экспериментальными исследованиями в области аэродинамики строительных конструкций, в том числе мостов. К настоящему времени накоплен большой опыт в проектировании отдельных классов сооружений, но почти полностью исключается возможность использования его в аэродинамических расчетах других видов конструкций.
В проектировании и сооружении мостовых конструкций, чувствительных к действию ветра, прослеживаются три этапа.
На первом этапе доминировало внимание к статической прочности мостов путем повышения изгибной жесткости сооружений; аэродинамическая устойчивость при этом обеспечивалась совершенно случайно.
Начало второго этапа связано с крушением Такомского моста. С этого периода вопросу аэродинамической устойчивости большепролетных висячих мостов уделяется особое внимание; широко применяются испытания моделей в аэродинамических трубах с целью выявления и повышения аэродинамической устойчивости сооружений.
Третий этап характеризуется научно обоснованным подходом к выбору конструктивных форм мостов с точки зрения обеспечения их аэродинамической устойчивости, т. е. способности конструкций противостоять воздействиям ветра [27].
Аэродинамика мостов, как, впрочем, и любых других тел, охватывает аэромеханику и аэроупругость. Аэромеханика изучает аэродинамические силы, действующие на конструкции при обтекании их ветровым потоком. Аэроупругость рассматривает физико-технические процессы и явления, возникающие при взаимодействии конструкций с потоком, т. е. поведение конструкций в потоке, реакцию сооружений и (или) их отдельных элементов на действие ветрового потока. Разнообразие явлений, влияние различных физических и геометрических факторов на их возникновение и условия существования, а также влияние самих явлений на надежность конструкций, обтекаемых потоком жидкости или газа, ставят проблему аэродинамической устойчивости мостов в число важных и в научном, и в прикладном значении.
Основные успехи фундаментальных основ в аэрогидродинамике будут, по-видимому, достигнуты в результате развития простых теорий для простых и понятных ситуаций. В дальнейшем же могут рассматриваться более сложные обстоятельства, которые связаны прежде всего с разработкой численных моделей, обобщающих простейшие ситуации. Во всех без исключения случаях только взаимное развитие теории и эксперимента даст возможность получать достоверные результаты. В этой связи одной из приоритетных областей аэрогидродинамики, которые предстоит в ближайшие два-три десятилетия интенсивно развивать, является взаимодействие потока с конструкциями.
Вопросы обеспечения аэродинамической устойчивости мостовых конструкций в современном понимании получили более широкое толкование как по форме, так и по содержанию. Более глубоким стало изучение действия ветра на конструкции, реакции сооружений на однородный и турбулентный поток. Наряду с дальнейшим развитием теоретических методов и экспериментальных лабораторных исследований должное внимание стали уделять натурным испытаниям и наблюдениям. Комплексное экспериментальное изучение проблемы совместно с теоретическими исследованиями позволяет создать надежные основы расчета конструкций на ветровую нагрузку.
Отечественный опыт расчета конструкций на ветровую нагрузку с учетом действия пульсаций ветра и динамических свойств конструк4
ций получает все более широкое признание за рубежом. Однако он ограничен относительно узким классом сооружений и не распространяется на многие типы современных конструкций, имеющих большое развитие. В этих случаях приходится переходить на расчет с искусственным введением условного динамического коэффициента или принимать в расчете значение скорости ветра в порыве, а не осредненное при двух- или десятиминутном интервале времени.
Анализ поведения конструкций в ветровом потоке обнаруживает наряду со статическими деформациями изгиба в плоскости действия ветра и бокового выпучивания из этой плоскости большое разнообразие явлений аэроупругой статической и динамической неустойчивости 12, 24]. Они обусловлены формой поперечного сечения, конфигурацией сооружения и его ориентацией относительно направления ветрового потока, упругими и демпфирующими свойствами конструкций, структурой ветра и другими обстоятельствами. Эти явления связаны с определенным типом колебаний и заслуживают особого внимания с точки зрения механизма их возникновения. В то же время они представляют серьезную опасность для надежности и долговечности конструкций, а также для пребывания человека на этих конструкциях. Среди них наиболее известны колебания вихревого возбуждения (ветровой резонанс) и галопирование.
Математические модели этих явлений, наиболее достоверно описывающие характер колебаний, а также критерии возникновения и условия их существования, позволяют не только оценить уровни колебаний, т. е. их амплитуды и частоты, но и управлять ими с помощью механического (конструкционного) демпфирования конструкций.
Наиболее опасные виды аэроупругих колебаний — баф- тинг и изгибно-крутильный флаттер. Возникающие при этих явлениях колебания в течение малого промежутка времени неограниченно нарастают, и напряжения в элементах конструкций достигают таких значений, которые могут привести сооружение к разрушению.
В 70—80-х годах в нашей стране наметился повышенный интерес к висячим системам, и в частности к висячим и вантовым мостам и трубопроводным переходам. Вантовые городские мосты через реки Днепр в Киеве и Днепропетровске, Даугаву в Риге, Шексну в Череповце с рекордными в нашей стране пролетами 200—320 м по своим техническим решениям и экономическим показателям не уступают лучшим образцам зарубежного мостостроения. Их создание свидетельствует об инженерных возможностях и наличии необходимой производственной базы. Создание висячих трубопроводных мостов через реки Амударью у г.Газли (390 м), Амударью у пос. Келиф (660 м) и Днепр у г. Днепропетровска (720 м), предназначенных для транспорта нефти, газа и аммиака, вывели нашу страну на передовые рубежи современного мостостроения. Они проектировались на современной научной основе и потребовали широкого комплекса теоретических и экспериментальных исследований на всех стадиях создания сооружений.
Комментариев нет:
Отправить комментарий