EA000554B1 - Обеспечение устойчивости мостов - Google Patents

Description

Это изобретение касается устойчивости мостов, содержащих настил, удерживаемый работающими на растяжение опорами, и обеспечивает как устойчивую конструкцию моста, так и способ придания устойчивости существующим мостам.

Предпосылки для создания изобретения

Различные типы мостов имеют настил, удерживаемый работающими на растяжение опорами от мачт, либо подобными конструкциями, находящимися по концам моста или в промежутке между ними. В случае висячего моста работающими на растяжение опорами обычно являются тросы, штанги или цепи, взаимосвязывающие каждую сторону настила и соответствующий несущий трос, подвешенные между мачтами. Балочно-вантовый мост содержит настил, также удерживаемый работающими на растяжение опорами, обычно выполненными в виде штанг или канатов, идущих от продольных сторон настила непосредственно к мачтам.

Из катастрофы с мостом Тасота, произошедшей в 1940 году, хорошо известно, что висячий мост может быть подвергнут серьезному разрушению вследствие флаттера (раскачивания) при длительной умеренной ветровой нагрузке, вызывающей резонансные колебания настила, которые нарастают и приводят к разрушению. Проблемы, связанные с ветровой нагрузкой висячих мостов, а фактически всех мостов, содержащих настил, удерживаемый работающими на растяжение опорами, усугубляются в зависимости от увеличения пролета настила. При наличии большого пролета, например, такого, который предложен для моста через Мессинский пролив, ветровая нагрузка вдоль пролета может сильно меняться и способствовать значительным асимметричным продольным колебаниям и вспучиванию настила. После разрушения моста Тасота были предложены различные решения этой проблемы. Например, в Европейском патенте № 0233528 предлагается для висячего моста, содержащего висячую конструкцию, образованную из несущих тросов и вертикальных стоек, и фактически жесткого плоского настила, висящего на подвесной конструкции, обеспечивать устойчивость посредством аэродинамических элементов, которым придана форма, подобная крыльям, и которые жестко крепятся к конструкции моста для управления действием ветра на конструкцию, при этом аэродинамические элементы состоят из управляющих поверхностей крыльев, которые имеют симметричный профиль и обладают положительной или отрицательной подъемной реакцией, и скоростью флаттера, значительно большей скорости флаттера самой конструкции моста, при этом поверхности крыльев фиксируются непосредственно под боковыми краями конструкции настила моста, с их плоскостью симметрии, наклоненной по отношению к горизонтальной плоскости, причем конструкция моста и управляющие поверхности крыльев динамически взаимодействуют с тем, чтобы сместить скорость флаттера в целом выше наивысшей скорости ветра, ожидаемой в зоне моста.

Вместо использования крыльев, жестко прикрепленных к конструкции моста, в международной заявке на патент PCT\GB 93\01862 (номер публикации WO 94/05862) говорится о том, что настил моста может быть изготовлен менее жестким, чем настилы существующих мостов, посредством использования закрылков или элеронов, установленных у боковых краев настила моста, при этом закрылки или элероны могут поворачиваться от настила моста и занимать, соответственно, выдвинутое и отведенное положение, при этом управление осуществляется компьютером для регулирования усилия на настил в ответ на ветровую нагрузку.

В международной заявке на патент РСТ/ DK-93/00058 (номер публикации WO 93/16232) говорится о системе противодействия создаваемым ветром колебаниям главной балки моста для длинных мостов с несущими кабелями, в которой большое количество управляющих поверхностей расположено фактически симметрично относительно продольной оси моста и предназначено для использования энергии ветра в ответ на перемещение главной балки моста для уменьшения упомянутого перемещения, причем управляющие поверхности разделены на секции в продольном направлении моста и установлено большое количество датчиков для измерения перемещения главной балки моста, а локальный управляющий блок взаимосвязан с каждой секцией управляющей поверхности и предназначен для управления рассматриваемой секцией управляющей поверхности в ответ на информацию от одного или более датчиков. Эти датчики предназначены для измерения перемещений или ускорений моста в интересующих точках и для подачи сигнала к блоку управления, например компьютеру, в котором используется алгоритм для подачи сигнала к сервонасосу, управляющему гидроцилиндром, для поворота взаимосвязанной с ним секции управляющей поверхности. При этом каждая секция управляющей поверхности может непрерывно регулироваться в ответ на перемещения главной балки моста в рассматриваемом месте, замеряемые датчиками, выполненными в виде датчиков ускорений. Это изобретение требует наличия сложной электронной системы, включающей значительное количество устройств для замера ускорений, соединенных посредством большого количества проводов, идущих вдоль главной балки моста, с компьютером, а также взаимодействующей с ней гидравлической системой для привода в движение управляющих поверхностей.

В документе WO 93/16232 и других известных документах раскрыт мост, содержащий настил, удерживаемый опорами, работающими на растяжение, а стабилизаторы в виде крыльев поворачиваются вокруг соответствующих осей, по существу продольных по отношению к настилу, для перемещения в положение, в котором повышается устойчивость настила.

Из этих документов также известно создание способа обеспечения устойчивости моста, имеющего настил, удерживаемый работающими на растяжение опорами, включающего в себя установку стабилизаторов в виде крыльев вокруг соответствующих осей, по существу идущих в продольном направлении моста.

Содержание изобретения

Задача настоящего изобретения заключается в обеспечении устойчивости моста без использования обширной электронной системы восприятия и управления.

Согласно одному аспекту изобретения, каждый стабилизатор механически соединен с настилом и смежной с ним опорой, работающей на растяжение, посредством механизма, действующего путем углового перемещения между настилом и работающей на растяжение опорой вокруг продольной оси моста, так что, когда происходит угловое перемещение между частью настила и смежной, работающей на растяжение опорой, соответствующий стабилизатор будет повернут в положение, которое приведет к созданию усилия на этой части настила при наличии поперечной ветровой нагрузки. При этом можно обеспечить устойчивость моста посредством сведения к минимуму связи между вращательным и вертикальным перемещениями настила, тем самым уменьшая тенденцию конструкции к неустойчивым колебаниям.

Предпочтительно, чтобы каждый механизм включал в себя рычаг, который крепится к взаимодействующей с ним опоре, работающей на растяжение, и шарнирно прикреплен к настилу вокруг оси, по существу параллельной оси поворота взаимодействующего с ним стабилизатора. Соответствующий механизм может быть установлен для усиления поворота взаимодействующего с ним стабилизатора по отношению к угловому перемещению.

По меньшей мере, некоторые из стабилизаторов могут быть шарнирно прикреплены с поворотом вокруг их соответствующих осей непосредственно к настилу и установлены так, чтобы поворачиваться посредством соответствующих звеньев, шарнирно прикрепленных к соответствующим рычагам.

По меньшей мере, некоторые из стабилизаторов могут быть шарнирно прикреплены с поворотом вокруг их соответствующих осей непосредственно к настилу и расположены так, чтобы изменять аэродинамические свойства настила. Как вариант, по меньшей мере, некоторые из стабилизаторов могут быть шарнирно установлены с поворотом вокруг своих соответствующих осей, идущих от работающих на растяжение опор или от соответствующих рычагов.

В этом случае каждый стабилизатор предпочтительно устанавливается так, чтобы он поворачивался посредством звена, шарнирно прикрепленного к настилу.

По меньшей мере, один из стабилизаторов может быть обеспечен независимо регулируемой управляющей поверхностью. При этом управляющая поверхность может регулироваться относительно стабилизатора, тем самым изменяя усилие, которое будет создаваться стабилизатором и прилагаться к настилу.

Предпочтительно, чтобы стабилизаторы располагались парами, которые устанавливают по противоположным сторонам настила и уравновешивают взаимосвязывающим звеном. В этом случае взаимосвязывающее звено предпочтительно оперативно устанавливается между механизмами пары стабилизаторов.

Согласно другому аспекту изобретения, способ включает в себя механическое соединение настила и смежной, работающей на растяжение опоры с использованием механизма, действующего посредством углового перемещения между настилом и опорами, работающими на растяжение, относительно продольной оси моста, с тем, чтобы поворачивать стабилизаторы за счет перемещения в положение, которое при наличии поперечного ветра будет создавать усилие для уменьшения полной аэродинамической подъемной силы на настил.

Краткое описание фигур

Далее изобретение будет описано лишь посредством примера со ссылками на прилагаемые фигуры, на которых на фиг. 1 схематически представлено поперечное сечение настила моста, устойчивость которого обеспечивается согласно изобретению;

на фиг. 2 - вид, подобный виду, показанному на фиг. 1 , но иллюстрирующий перемещение пары стабилизаторов в течение углового перемещения в одном направлении между настилом и смежной, работающей на растяжение опорой вокруг продольной оси моста;

на фиг. 3 - вид, подобный виду, показанному на фиг. 2, но иллюстрирующий перемещение стабилизаторов в процессе углового перемещения в противоположном направлении между настилом и смежной, работающей на растяжение опорой;

на фиг. 4 - увеличенная левосторонняя часть фиг. 2, иллюстрирующая одну из форм механизма, действующего посредством углового перемещения между настилом и смежной, работающей на растяжение опорой;

на фиг. 5 - вид, подобный виду на фиг. 4, но показывающий модификацию стабилизаторов, выполненных в виде крыльев;

на фиг. 6 - вид, подобный виду на фиг. 1, но иллюстрирующий уравновешивание пары стабилизаторов;

на фиг. 7 - вид, подобный виду на фиг. 1, но иллюстрирующий альтернативный монтаж стабилизаторов на ином настиле моста.

Описание

Хорошо известно, что висячие мосты с длинными пролетами в условиях весьма сильного ветра склонны к неустойчивости, подобной флаттеру. Один из подходов к решению этой проблемы заключается в повышении крутильной жесткости настила моста, чтобы неустойчивость возникала при более высокой скорости ветра. Это достигается посредством обычных способов конструирования, которые неизбежно повышают вес настила моста, а следовательно, увеличивают вес висячих канатов и их опорной конструкции. Альтернативный подход заключается в повышении устойчивости настила моста посредством активно управляемых крыльев. Такое активное обеспечение устойчивости аналогично практике, уже принятой в системах управления самолетами, в которых крылья или иное управляющее оборудование соответствующим образом отклоняется посредством гидравлических, пневматических или электрических приводных устройств в ответ на восприятие движения транспортного средства, которое в данном случае представляет собой локальную часть стабилизируемой гибкой конструкции настила моста.

В настоящем изобретении разработан альтернативный подход к активному обеспечению устойчивости, заключающийся в механическом управлении крыльями посредством рычажных механизмов, подсоединенных к элементам подвески настила моста. При этом устойчивость может быть обеспечена без использования большого количества приборов для измерения ускорения и взаимосвязанных с ними электрокабелей и компьютерных управляющих и эксплуатационных систем, которые необходимы для осуществления поворотного перемещения крыльев посредством гидравлических, пневматических или электрических приводных устройств.

Если обратиться к фиг. 1, 2 и 3, то висячий мост содержит настил 10, удерживаемый не показанной парой несущих тросов посредством двух групп работающих на растяжение опор 11 и 1 2, обычно выполненных в виде штанг или тросов. Настил моста может иметь любую обычную конструкцию, известную в этой отрасли, и, как правило, содержит балку коробчатого сечения 13, образующую проезжую часть 14, 15, разделенную приподнятыми бортовыми камнями 16, 17 и 18. Независимо от характера профиля его поперечного сечения настил 1 0 при воздействии поперечной ветровой нагрузки проявляет аэродинамические свойства, при этом управление его устойчивостью осуществляется посредством двух групп стабилизаторов 19 и 20 в виде крыльев, расположенных вдоль каждого продольного края настила 10. Каждый стабилизатор подсоединен к настилу 1 0 посредством шарнира 21 (с осью 21) для обеспечения поворота вокруг оси 21 по существу продольной по отношению к настилу, чтобы таким образом стабилизатор 19, 20 мог поворачиваться в положение, в котором при наличии поперечного ветра будет создана сила для уменьшения полной аэродинамической подъемной силы на взаимодействующую с ним часть настила 1 0.

Нижние концы работающих на растяжение опор 11, 1 2 жестко прикреплены к концам рычагов 22, которые также прикреплены к настилу 1 0 посредством соответствующих шарниров 23 (с осями 23), тем самым обеспечивая возможность углового перемещения между каждой работающей на растяжение опорой 11 или 1 2 и настилом 10 вокруг осей шарниров 23, которые по существу параллельны оси 21 взаимодействующего стабилизатора.

Как хорошо видно из фиг. 4, звено 24 посредством шарнира 25 (с осью 25) подсоединено к стабилизатору 1 9 в месте, отстоящем от шарнира 21, а также посредством шарнира 26 (с осью 26) к рычагу 22 в месте, отстоящем от шарнира 23, при этом шарниры 21, 23, 25 и 26 параллельны. В этом случае любое угловое перемещение между настилом 1 0 и работающей на растяжение опорой 11 приведет к относительному угловому движению рычага 22 вокруг оси своего шарнира 23, тем самым вынуждая звено 24 передавать это движение к стабилизатору 19, который будет поворачиваться в том же самом направлении вокруг оси шарнира 21. Можно заметить, что эффективное плечо рычага между шарнирами 23 и 26 больше, чем между шарнирами 21 и 25, за счет чего относительное угловое перемещение рычага 22 вызывает усиленное перемещение стабилизатора 19. Также можно заметить, что рычаг 22 и звено 24 совместно с взаимосвязанными с ними шарнирами 21, 23, 25 и 26 формируют механизм, действующий посредством углового перемещения между настилом 1 0 и смежной, работающей на растяжение опорой 11.

При этом какое-либо движение кручения настила 1 0 моста относительно какой-либо из работающих на растяжение опор 11 и 1 2 вызывает поворот смежного стабилизатора 1 9 или 20, тем самым приводя к изменению аэродинамических свойств настила 10. Следовательно, согласно фиг. 2, поворот части настила 1 0 в направлении против часовой стрелки одновременно приводит к подъему левостороннего стабилизатора 19, в то время как правосторонний стабилизатор 20 опускается. При этом стабилизаторы 1 9 и 20 будут прилагать к настилу 1 0 возвращающий момент независимо от того, справа или слева создается поперечная ветровая нагрузка.

На фиг. 3 настил 1 0 повернут в направлении по часовой стрелке и можно заметить, что при этом перемещение стабилизаторов 1 9 и 20 подобным же образом изменяется на обратное, так что они вновь будут прилагать к настилу 10 возвращающий момент.

Особенно следует обратить внимание на то, что отклонение стабилизаторов 19 и 20 всегда будет повышать устойчивость настила 10 независимо от того, слева или справа дует ветер.

Соотношение расстояний между шарнирами 23 и 26 и шарнирами 21 и 25 будет зависеть от динамики настила 1 0 и его опоры 11, 1 2 и может быть определено посредством испытаний в аэродинамической трубе и/или теоретических расчетов. Для некоторых конструкций мостов отношение будет зависеть от положения конкретного стабилизатора 1 9 или 20 по пролету.

На фиг. 5 большая часть компонентов эквивалентна компонентам, показанным на фигуре 4, а поскольку они выполняют одинаковые функции, то обозначены теми же самыми номерами позиций. Изменение состоит лишь в том, что наружный конец стабилизатора 1 9 выполнен с независимо регулируемой управляющей поверхностью 1 26, подсоединенной к стабилизатору 19 посредством шарнира 27 (с осью 27), который параллелен оси шарнира 21. Управляющая поверхность 1 26 может поворачиваться вокруг оси 27 своего шарнира 27 относительно стабилизатора 1 9 посредством силового приводного устройства 28, которое, как показано, заключено внутри стабилизатора 1 9 и приводит управляющую поверхность 126 в движение посредством рычага 29. Силовое приводное устройство может действовать через механический привод для установки управляющей поверхности 1 26 в положение придания стабилизатором 1 9 желаемой характеристики той части настила, к которой он прикреплен, возможно также использовать электрический, пневматический или гидравлический привод, при этом характеристики стабилизатора 1 9 могут непрерывно регулироваться.

Преимущество исполнения стабилизатора с механическим приводом, который описан со ссылкой на фигуры 1 -4, заключается в отсутствии больших силовых приводных устройств, для которых, очевидно, потребовался бы постоянный источник энергии даже в случае ветра со средней штормовой нагрузкой, а также в отсутствии компьютеров и приборов для измерения ускорения. С другой стороны, подход к активному управлению, общий со сравнимыми авиационными системами, чрезвычайно гибок, поскольку в систему управления относительно легко могут быть внесены изменения и при необходимости может быть обеспечено ее функциональное усложнение.

Привлекательность комбинированного осуществления согласно фиг. 5 заключается в том, что в этом случае могут быть использованы преимущества обоих подходов. При этом может быть получена выгода от больших стабилизаторов 19, 20 с механическим приводом, а их функция может быть усилена посредством небольших активно управляемых поверхностей 1 26 способом, подобным триммеру руля высоты самолета. Таким образом, в основном обеспечение устойчивости будет осуществляться посредством больших, механически приводимых в действие стабилизаторов 1 9 и 20, в то время как небольшие активно управляемые поверхности 1 26 обеспечат выполнение точной настройки, в то же время не выдвигая специальных требований к размеру, стоимости, необходимой энергии и целостности по сравнению с одиночной активной системой управления.

На фиг. 6 представлена конструкция, которая в общем аналогична конструкции, уже описанной со ссылками на фиг. 1 -4, при этом для обозначения эквивалентных компонентов соответственно использованы те же самые номера позиций. Различие состоит в том, что массы стабилизаторов 19-20 уравновешены соединительными звеньями 30, наружные концы которых, соединенные с удлинениями 31 стабилизаторов, крепятся соответствующими шарнирами 32 (с осью 32), оси которых параллельны шарнирам 21 и 23. Внутренние концы звеньев 30 соединены посредством общего шарнира 33 (с осью 33) со звеном 34, которое может поворачиваться вокруг шарнира 35, установленного на настиле 1 0 моста. При этом массы выровненных в поперечном направлении пар стабилизаторов 19 и 20 уравновешиваются независимо от их поворота.

На фиг. 7 настил 10 моста имеет несколько иную конструкцию, поскольку рычаги 22 установлены на шарнирах 23, расположенных с внутренней стороны наружных продольных краев настила 10, за счет чего образуются дорожки 36 и 37. Стабилизаторы 19, 20 в виде крыльев также смещены с возможностью поворота вокруг осей 38 шарниров 38, которые проходят в продольном направлении настила 1 0 и удерживаются соответствующими рычагами 22. Стабилизаторы 19, 20 поворачиваются посредством соответствующих звеньев 39, которые, как показано, шарнирно установлены между настилом 1 0 и стабилизаторами 1 9 и 20. Следует заметить, что звенья 39 пересекают рычаги 22 для гарантии того, что угловое перемещение между настилом 1 0 и смежными, работающими на растяжение опорами 11 и 1 2, заставит стабилизаторы 1 9 и 20 повернуться в соответствующем направлении. Понятно, что при такой компоновке стабилизаторы 1 9 и 20 не изменяют аэродинамические свойства настила 1 0, а прилагают к настилу 10 компенсирующее усилие через соответствующие рычаги 22. Если необходимо, стабилизаторы 1 9 и 20, как вариант, могут быть установлены непосредственно на работающих на растяжение опорах 11 и 1 2.

В том случае, когда работающие на растяжение опоры образованы подвешивающими штангами, сами штанги будут подсоединены к соответствующей цапфе, в которую будут заходить шарниры 23, при этом работающий на растяжение опорный стержень 11 или 12 заменит верхнее плечо рычага 22, а цапфа сконструирована таким образом, чтобы обеспечить монтаж шарнира 26.

Механизмы, согласно фиг. 4 и 7, могут быть заменены любым другим обычным механизмом или зубчатой передачей, которые обеспечат требуемое приведение в движение стабилизаторов 19 и 20.

Если желательно, настил 10 моста может быть снабжен стабилизаторами 1 9 и 20 в соответствии как с фиг. 4, так и с фиг. 7.

Следует отметить, что наряду с созданием конструкции моста, обладающей новой формой обеспечения устойчивости, предложенная здесь компоновка может быть использована для модификации существующих мостов, имеющих настил, удерживаемый работающими на растяжение опорами, причем это может быть осуществлено без необходимости полной разборки моста.

Claims (2)

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Мост, содержащий настил (10), удерживаемый работающими на растяжение опорами (11, 12), и стабилизаторы (19, 20) в виде крыльев, шарнирно прикрепленных к соответствующим осям (21, 38), по существу, простирающихся вдоль настила (1 0), для поворота в положение повышения устойчивости настила (10), отличающийся тем, что каждый стабилизатор (19, 20) механически соединен с настилом (10) и смежной, работающей на растяжение опорой (11, 1 2) посредством механизма, выполненного с возможностью обеспечения углового перемещения между настилом (10) и работающей на растяжение опорой (11, 12) вокруг продольной оси моста для поворота соответствующего стабилизатора (19, 20) в положение создания усилия на этой части настила (1 0) при наличии поперечного ветра. 2. Мост по п. 1 , отличающийся тем, что каждый механизм включает в себя рычаг (22), прикрепленный к соответствующей работающей на растяжение опоре (11, 12), и шарнирно прикреплен к настилу (10) с поворотом вокруг оси (23), по существу параллельной оси поворота (21, 38) соответствующего стабилизатора (19, 20). 3. Мост по п. 1 , отличающийся тем, что каждый механизм выполнен с возможностью усиления поворота взаимодействующего с ним стабилизатора (19, 20) по отношению к угловому перемещению. 4. Мост по п.2, отличающийся тем, что, по меньшей мере, часть стабилизаторов (19, 20) шарнирно прикреплена с поворотом вокруг соответствующих осей (21 ) непосредственно к настилу (10) и установлена с возможностью поворота посредством соответствующих звеньев (24), шарнирно прикрепленных (25, 26) к соответствующим рычагам (22). 5. Мост по п.1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, часть стабилизаторов (19, 20) шарнирно прикреплена с поворотом вокруг соответствующих осей (21 ) непосредственно к настилу (10) и расположена с возможностью изменения аэродинамических свойств настила (10). 6. Мост по п.1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, часть стабилизаторов (19, 20) шарнирно установлена с возможностью поворота вокруг соответствующих осей (38) на работающих на растяжение опорах (11, 1 2). 7. Мост по п.2, отличающийся тем, что, по меньшей мере, часть стабилизаторов (19, 20) шарнирно установлена с возможностью поворота вокруг соответствующих осей (38) на соответствующих рычагах (22). 8. Мост по п.7, отличающийся тем, что каждый стабилизатор (19, 20) установлен для поворота звеном (39), шарнирно прикрепленным к настилу (1 0). 9. Мост по п.1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один из стабилизаторов (19, 20) снабжен независимо регулируемой управляющей поверхностью (1 26). 1 0. Мост по п. 1 , отличающийся тем, что пара стабилизаторов (19, 20) установлена на противоположных сторонах настила (10) и уравновешена соединительным звеном (30, 34). 11. Мост по п.10, отличающийся тем, что соединительное звено (30, 34) расположено между механизмами пары стабилизаторов (9, 20).

1

2. Способ обеспечения устойчивости моста, имеющего настил (10), удерживаемый работающими на растяжение опорами (11, 12), и стабилизаторы (19, 20) в виде крыльев, установленные на соответствующих осях (21, 38), по существу продольных по отношению к настилу (1 0), отличающийся тем, что механически соединяют настил (10) и смежную, работающую на растяжение опору (11, 12) с использованием механизма, который осуществляет угловое перемещение между настилом (10) и работающими на растяжение опорами (11, 12) вокруг продольной оси моста и, соответственно, поворачивает стабилизаторы (19, 20) в положение, в котором при наличии поперечного ветра будет создаваться сила для уменьшения полной аэродинамической подъемной силы на настил (10).