ОСОБЕННОСТИ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
При проектировании гибких мостовых конструкций приходится решать ряд вопросов, связанных с обтеканием их воздушным потоком. Почти все эти вопросы решаются экспериментальным путем. Поскольку, с одной стороны, натурные сооружения слишком сложны и громоздки, а с другой, в натурных условиях невозможно искусственно воспроизвести атмосферные состояния, то в основу расчета реальных сооружений положено широкое использование испытания моделей в лабораторных условиях. Такие испытания, как правило, предшествуют проектированию и строительству и зачастую определяют конструктивные формы будущего сооружения.
Аэродинамические эксперименты проводятся в аэродинамических трубах — установках, в которых можно создать искусственный регулируемый поток воздуха или газа. Труба состоит из коллектора (суживающегося сопла), рабочей части, диффузора и вентилятора. Вентилятор, приводимый во вращение электродвигателем, создает в трубе поток воздуха. Коллектор предназначен для того, чтобы на входе в рабочую часть грубы поток воздуха стал плавным, без завихрений. Основные характеристики аэродинамической трубы — максимальная скорость потока в рабочей части и размеры последней, определяющие размеры модели. Для измерения аэродинамических сил и моментов, действующих на модель в воздушном потоке, применяются аэродинамические весы. По числу измеряемых компонентов полной аэродинамической силы и полного аэродинамического момента эти весы разделяются на одно-, двух-, трех-, четырех- и шестикомпонентные.
В основу устройства аэродинамических весов положен принцип уравновешивания модели при нарушении ее положения равновесия
26
иод действием возникающих аэродинамических сил и моментов. Основная особенность всех аэродинамических весов — независимое измерение каждого компонента.
Для определения распределения давления по поверхности эле" мента соответствующая поверхность модели дренируется в достаточ* но большом числе точек, т. е. в каждой выбранной точке поверхности просверливается и тщательно обрабатывается по кромкам отверстие — канал для пропуска струй воздуха диаметром до 2 мм. С противоположной стороны поверхности к отверстию крепится (на пайке, на клею) тонкая трубка, которая с помощью соединительных элементов связана с батарейным манометром, регистрирующим избыточное давление в соответствующей точке. Измерительная трубка батарейного манометра соединена только с одним отверстием. Число точек на поверхности назначается из условия получения наиболее достоверных данных о распределении давления по поверхности. Если батарейный манометр не допускает одновременного измерения избыточного давления во всех выбранных точках, то подключают к манометру попеременно.
Аэродинамический эксперимент должен так моделировать явление обтекания воздушным потоком реального сооружения, чтобы можно было перенести на натуру аэродинамические характеристики, полученные при эксперименте с моделью.
Из теории подобия следует, что пользоваться результатами испытаний моделей при определении аэродинамических сил и моментов натурного сооружения можно лишь в том случае, если модель и реальное сооружение геометрически подобны, одинаково ориентированы относительно потока и если, кроме того, потоки, обтекающие модель и натурное сооружение, кинематически и динамически подобны. Геометрически подобными будут тела, у которых сходственные линейные размеры пропорциональны, а соответственные углы равны. Явления подобны кинематически, если при соблюдении геометрического подобия тел, обтекаемых различными потоками, сходственные частицы потоков проходят подобные пути в пропорциональные отрезки времени. Кинематическое подобие требует геометрического подобия и одинаковой ориентации модели и натурного объекта относительно потока.
Динамическое подобие обусловливается геометрическим и кинематическим подобием. Явления динамически подобны, если при обтекании двух геометрически подобных тел, одинаково ориентированных по отношению к потоку, силы, приложенные к выделенным элементарным объемам, в сходственных точках потоков одинаково направлены и для всех пар сходственных точек находятся в постоянном отношении. Такое подобие будет полным.
Так как природа сил, действующих в газообразной среде, различна, то можно рассматривать частичное динамическое подобие для каждой категории сил: давления, веса, трения. При частичном подобии явлений отношение инерционных сил и какой-либо из указанных сил должно быть одинаково для всех пар сходственных точек.
При экспериментальных исследованиях в аэродинамических трубах необходимо различать модели масштабные и секционные. Масштабная модель представляет собой уменьшенную копию сооружения, повторяющую конструктивную форму и способы ‘закрепления реального сооружения. При моделировании трехмерных объектов с сопоставимыми линейными размерами масштабные модели определяются размерами рабочей части аэродинамической трубы. Моделирование объектов со значительным удлинением, в частности, протяженных в плане пролетных строений мостов сопряжено с определенными трудностями, и для изучения характера обтекания, распределения давления и аэродинамических характеристик используются, как правило, секционные модели.
Исследование динамической аэроупругости висячих мостов требует создания специальных аэродинамических тоннелей с широкой прямоугольной или эллиптической рабочей частью, в которых возможно масштабное моделирование.
Однако [63] большинство важных сведений о данной конструкции моста можно получить из испытаний соответствующим образом опертых моделей, а чтобы обезопасить конструкцию от возникновения явлений аэроупругой неустойчивости, не всегда необходимо воспроизводить целиком ее форму и размеры.
Наиболее просты испытания моделей, связанные с решением следующих задач: 1) определение спектра обтекания конструкций висячего покрытия; 2) исследование распределения давления по контуру поперечного сечения; 3) определение аэродинамических характеристик неподвижной модели; 4) выбор мероприятия по снижению ветровой нагрузки и обеспечению аэродинамической устойчивости.
Поставленным задачам вполне удовлетворяют испытания секционных и мелкомасштабных моделей. При этом модели должны удов28
летворять условиям: 1) геометрического подобия модели и натурного сооружения; 2) одинаковой ориентации относительно потока. Результаты, полученные при испытании такой модели, могут быть перенесены на натуру, если потоки, обтекающие модель и натурное сооружение, кинематически и динамически (полностью или частично) подобны 138].
При исследовании колебаний мостовых конструкций (и связанной с ними динамической аэроупругости), вызванных воздушным потоком, используют модель, удовлетворяющую не только перечисленным условиям, но также и целому ряду других. К ним относятся идентичность: 1) внешней формы модели (расчетной схемы): 2) распределения жесткости конструкций и их масс; 3) распределения подвесок висячих мостов и трубопроводов; 4) способов опирания элементов конструкций. Перечисленные условия наряду с другими обусловливают степень свободы движения модели, адекватную реальному сооружению.
При проектировании моделей мостовых конструкций выполнение всех условий и ограничений сопряжено со значительными, а иногда непреодолимыми трудностями, что заставляет отказаться при изучении аэроупругих колебаний от масштабных моделей и перейти к секционным. Поскольку секционные модели обладают весьма высокой погонной жесткостью по сравнению с реальным объектом, упругие свойства натурного сооружения моделируются соответствующим подбором жесткости державок, на которых крепится модель [38, 56]. Этот прием аналогичен механическому моделированию многих колебательных явлений, широко применяемому в теории колебаний. При проектировании модели надо исходить из того обстоятельства, что число независимых ограничений не должно превышать трех (на основе л-теоремы), потому что все безразмерные параметры независимы и в задаче имеются только три основные величины, принятые в механике, масштабы которых могут быть изменены: масса, длина, время (период, частота).
Как показывает опыт, создание полного динамического подобия потоков чрезвычайно сложно. Однако во многих случаях для натуры можно пользоваться аэродинамическими коэффициентами, полученными при испытаниях модели с соблюдением частичного динамического подобия. Воздействие потока на тело зависит от различных факторов: вязкости, упругости или сжимаемости, весомости газа и т. д. Поэтому и результирующая аэродинамическая сила определяется вязкостью, упругостью, весом газа и т. д. Если условия обтекания таковы, что аэродинамическая сила в основном определяется силами вязкости, то в этом случае можно пренебречь влиянием других факторов.
Критериями частичного динамического подобия могут быть отношения инерционных сил к силам вязкости, упругости, давления и веса.
При исследовании колебательных или периодически повторяющихся процессов в потоке необходимо обеспечивать критерий подобия, учитывающий периодичность происходящих явлений. Поэтому существуют различные приемы, которые учитывают в каждом конкретном случае специфику задач, важность тех или иных свойств атмосферы, параметров элементов конструкций и прочие факторы. В частности, повышают давление и другие параметры рабочей среды в аэродинамических трубах, а также увеличивают турбулентность потока в трубах.
Поскольку при моделировании подобие и использование результатов испытаний в расчетах связано с масштабными коэффициентами, остановимся на последних несколько подробнее. Постоянное для всех линейных размеров отношение — масштаб модели или коэффициент геометрического подобия к/,. Если рассматривается какое- либо явление, протекающее во времени, то в общем случае вводится понятие масштаба времени кх. Одновременное соблюдение масштаба по длине кь и по времени кх обусловливает кинематическое подобие.
Если при моделировании одно явление может быть получено из другого изменением трех масштабов (длины ки времени кх и сил ко), то эти явления будут динамически подобными. Аэроупругие явления у модели могут быть подобны аэроупругим у натурной конструкции, если они описываются одними и теми же дифференциальными уравнениями. Это требование совместно с условиями равновесия сил и моментов для модели и натуры определяет систему условий динамического подобия.
Аэродинамика мостов 2
При проектировании и расчете большепролетных мостов вопросы обеспечения их аэродинамической устойчивости в эксплуатационной стадии и в процессе монтажа относятся к одним из самых важных, и их успешное решение во многом определяет несущую способность и надежность сооружений. Кроме того, изучение взаимодействия элементов строительных конструкций, в том числе мостовых, с ветровым потоком составляет одну из самых актуальных научных проблем механики. Особенность данной научной проблемы в прикладном, инженерном подходе — необходимость проведения комплексных исследований:
1) экспериментального определения аэродинамических характеристик и свойств сооружений и его отдельных элементов;
2) построения приближенных, но достаточно достоверных математических моделей их поведения в ветровом потоке;
4
3) теоретического анализа возможных режимов азроупругой неустойчивости, оценки критериев их возникновения и условий существования;
4) натурных экспериментальных исследований и длительных наблюдений в процессе эксплуатации, цель которых — изучение действительной работы сооружений, их фактических динамических свойств, уточнение метеорологических воздействий и микрорайонирования, изучение реакции сооружений и их элементов на реальное ветровое воздействие.
Взаимодействие конструкций с ветровым потоком обусловлено взаимодействием сил инерции, аэродинамических, упругих и диссипативных сил, которое наглядно характеризуется схемой Коллара 1701. Поэтому решение проблемы аэродинамической устойчивости металлоконструкций инженерных сооружений возможно только на основе достижений строительной механики, динамики сооружений, теории колебаний и экспериментальной аэродинамики.
Необходимо отметить, что в общей проблеме аэродинамической устойчивости стальных конструкций и мостов незаслуженно малое внимание уделяется исследованиям их аэродинамической устойчивости в период монтажа.В то же время период монтажа вплоть
6
до заключительной стадии длится несколько лет, в течение которых сооружение неоднократно оказывается в весьма неблагоприятных метеорологических условиях. Пониженная изгибная и крутильная жесткость, очень низкие демпфирующие свойства сооружений на различных стадиях монтажа в значительной мере способствуют проявлению аэродинамической неустойчивости. Эти соображения подтверждаются экспериментальными исследованиями в аэродинамической трубе моделей висячих мостовых сооружений.
Характер изменения частот и декрементов колебаний в процессе монтажа свидетельствует о возможности снижения критической скорости ветра, при которой возникает аэродинамическая неустойчивость, по сравнению с расчетным значением скорости в период эксплуатации моста. Снижение критической скорости ветра ниже расчетной свидетельствует, что на некоторых этапах монтажа не обеспечена надежность сооружения и безопасность работ. Поэтому всегда необходимы соответствующий расчет, разработка мероприятий и усовершенствование способов монтажа, обеспечивающих аэродинамическую устойчивость стальных конструкций независимо от способа производства работ.
К новым аспектам проблемы аэродинамического расчета стальных конструкций и мостов нужно отнести изучение вредного влияния аэроупругих колебаний на организм человека и связанную с этим необходимость виброзащиты. Допустимый уровень аэроупругих колебаний надо оценивать исходя из двух равнозначных к р и т е р и- ев колебаний:
1) опасные для конструкции;
2) вызывающие неприятные ощущения у человека.
В самом деле, с одной стороны, интенсивные колебания могут привести сооружение к разрушению тотчас же при наступлении аэро- упругой неустойчивости типа изгибно-крутильного флаттера, бафтин- га, а также по мере накопления повреждений или пластических деформаций при аэроупругой неустойчивости типа ветрового резонанса, галопирования, срывного флаттера или параметрического резонанса. С другой стороны, колебания гораздо меньшей интенсивности, которые не угрожают сооружению или отдельным его элементам, могут оказаться неприемлемыми с точки зрения возникновения неприятных, а иногда болезненных ощущений у человека, находящегося на конструкции. При этом необходимо учитывать не только физиологическое, но и психологическое воздействие колебаний на человека.
Следовательно, помимо традиционных расчетов, в том числе расчетов элементов конструкций на выносливость, необходимо оценивать возможный уровень аэроупругих колебаний по санитарным нормам, регламентирующим степень опасности для организма человека.
Кроме того, для висячих мостов уровень колебаний должен оцениваться с точки зрения восприятий их человеком, находящимся на движущемся подрессоренном автомобиле. Как показали исследования, допустимые с точки зрения безопасности движения перегрузки
7
составляют всего 0,2—0,5 § (где & — ускорение свободного падения) и зависят от критической скорости возникновения одного из типов аэроупругой неустойчивости [851.
Анализ тенденций развития и современного состояния проблемы ветровых воздействий на инженерные сооружения, включая мосты, свидетельствует, что основными направлениями дальнейших исследований, обеспечивающими широкое внедрение в мостостроении прогрессивных конструкций и наглядно отражающими триединство действия ветра на сооружения, продолжают оставаться:
1) развитие экспериментальных методов аэромеханики применительно к элементам строительных конструкций;
2) изучение реакции гибких сооружений на пульсации ветра и одиночный порыв ветра;
3) разработка достоверных физических моделей аэроупругого поведения гибких сооружений и их элементов при взаимодействии с равномерным ветровым потоком.
Аэродинамика мостов
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