NO313247B1 - Bro som omfatter en brobane som b¶res av strekkelementer, og fremgangsmåte for stabilisering av en slik bro - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår stabilisering av broer som omfatter en brobane som bæres av strekkelementer, og angår både en stabilisert brokonstruksjon og en fremgangsmåte for stabilisering av en eksisterende bro.

Forskjellige typer broer har en brobane som bæres av strekkelementer fra tårn eller lignende strukturer som er oppsatt ved eller mellom endene av broen. Når det gjelder en hengebro er strekkelementene vanligvis vertikale kabler, stag eller kjetting som forbinder hver langsgående side av brobanen med en tilhørende bærekabel som er opphengt mellom tårnene. En skråstagbro omfatter også en brobane som bæres av strekkelementer, vanligvis i form av stag eller kabler som rager fra de langsgående sider av brobanen og direkte til tårnene.

Det er velkjent fra ulykken med Tacoma-broen i 1940 at en hengebro kan utsettes for dramatisk svikt i konstruksjonen på grunn av svingningsustabilitet ved varig, moderat vindbelastning som bevirker en resonanssvingning i brobanen som øker progressivt inntil det inntreffer sammenbrudd. Problemene knyttet til vindbelastning av hengebroer, og alle broer som omfatter en brobane som bæres av strekkelementer, blir mye alvorligere når spennet til brobanen øker. Med et meget langt spenn, f.eks. slik som foreslått for Messinastredet, kan vindbelastningen langs spennet variere vesentlig og kan bevirke en vesentlig usymmetrisk bevegelse av brobanen opp og ned. Etter ulykken med Tacoma-broen har det vært fremsatt forskjellige forslag for å løse dette problemet. I EP-patent 0233528 har det f.eks. vært foreslått at en hengebro som omfatter en opphengs-konstruksjon dannet av bærevaiere og vertikale stag og en hovedsakelig stiv, plan brobanekonstruksjon som henger i opphengskonstruksjonen kan stabiliseres av aerodynamiske elementer som er utformet som klaffer og som er fast forbundet med brobanekonstruksjonen for å styre virkningen av vinden på konstruksjonen, idet de aerodynamiske elementer består av vingeflater som har en symmetrisk profil og en positiv eller negativ aerodynamisk løftevirkning, sammen med en svingningshastighet som er betydelig høyere enn svingningshastigheten til selve brokonstruksjonen, idet vingeflatene er festet like under sidekantene til banekonstruksjonen i broen, med symmetriplanet skrådd i forhold til horisontalplanet, idet brokonstruksjonen og vingeflatene samvirker dynamisk for å endre svingningshastigheten til hele enheten i det minste til over topp-hastigheten til vinden som forventes i broområdet.

I stedet for å benytte klaffer som er fast forbundet med brokonstruksjonen beskriver internasjonal patentsøknad PCT/GB93/01862 (WO 94/05862) at en brobane kan gjøres mindre stiv enn banene til eksisterende broer ved å benytte klaffer eller balanserar anordnet ved sidekantene av brobanen, idet klaffene eller balanserorene er svingbare fra brobanen for svingning mellom utførte og tilbaketrukne stillinger og er computerstyrt for å regulere kreftene mot brobanen som skyldes vindbelastning.

Internasjonal patentsøknad PCT/DK93/00058 (WO 93/16232) beskriver et system for å motvirke vindinduserte svingninger i brobaner i lange broer som bæres av kabler, idet flere styreflater er anordnet hovedsakelig symmetrisk om lengdeaksen til broen og er innrettet til å utnytte energien i vinden ved bevegelse av brobanen for å minske bevegelsen, idet styreflatene er inndelt i seksjoner i lengderetningen av broen, og flere detektorer er anordnet for å måle bevegelsene til brobanen, og en lokal styreenhet er tilknyttet hver styreflateseksjon og er innrettet til å styre den angjeldende styreflateseksjonen som respons på informasjon fra en eller flere av detektorene. Disse detektorer er innrettet til å måle bevegelsene eller akselerasjonen til broen i det angjeldende punkt og å overføre et signal til en styreenhet, slik som en computer, som benytter en algoritme for å bevirke et signal til en servopumpe som driver en hydraulisk sylinder for å dreie den tilhørende styreflateseksjonen. På denne måten kan hver styreflateseksjon reguleres kontinuerlig som respons på bevegelser av brobanen i det angjeldende punktet, målt av detektorene som er i form av akselerometre. Denne oppfinnelsen krever hovedsakelig anordning av et komplisert elektronisk system som omfatter et betydelig antall akselerometre som er forbundet med computerne via en stor mengde ledninger, og et tilhørende hydraulisk system for å drive styreflatene.

Fra WO 93/16232 og de øvrige dokumenter som beskriver kjent teknikk er det kjent at en bro kan omfatte en brobane som bæres av strekkelementer, og klaff-stabilisatorer som er svingbare om akser generelt i lengderetningen av brobanen for å svinges til en stilling for å forbedre stabiliteten til brobanen.

Det er også kjent fra disse dokumenter å benytte en fremgangsmåte for å stabilisere en bro som har en brobane som bæres av strekkelementer og som har klaff-stabilisatorer montert om de respektive akser generelt i lengderetningen av brobanen, for å svinge til en stilling for å forbedre stabiliteten til brobanen.

Det er et formål med den foreliggende oppfinnelse å muliggjøre at en bro kan stabiliseres uten bruk av et omfattende elektronisk avføler- og styresystem.

I henhold til et aspekt ved oppfinnelsen er hver stabilisator mekanisk tilkoblet brobanen og et nærliggende strekkelement via en mekanisme som kan aktiveres ved vinkelbevegelse mellom brobanen og strekkelementet om en lengdeakse i broen, slik at når det skjer en vinkelbevegelse mellom et parti av brobanen og det nærliggende strekkelementet vil den tilhørende stabilisatoren svinge på grunn av bevegelsen via mekanismen, til en stilling som vil bevirke en kraft mot brobanepartiet, i nærvær av tverrgående vind. På denne måten er det mulig å stabilisere en bro ved å minske koblingen mellom dreiebevegelser og vertikalbevegelser av brobanen, for derved å dempe enhver tendens til at konstruksjonen svinger.

Fortrinnsvis omfatter hver mekanisme en arm som er fastgjort til det tilhørende strekkelementet og som er hengslet til brobanen om en akse som generelt er parallell med svingeaksen til den tilhørende stabilisator. Hver mekanisme kan være innrettet til å forsterke svingningen av den tilhørende stabilisatoren med hensyn til vinkelbevegelsen.

I det minste noen av stabilisatorene kan være hengslet om de respektive akser direkte til brobanen og være anordnet for å svinges av leddarmer som er hengslet til de respektive armer.

I det minste noen av stabilisatorene kan være hengslet om de respektive akser direkte til brobanen og være plassert slik at de modifiserer de aerodynamiske egenskaper til brobanen. Alternativt kan i det minste noen av stabilisatorene være hengslet om de respektive akser enten på strekkelementene eller på de respektive armer. I dette tilfellet er hver stabilisator fortrinnsvis anordnet for å svinges av en leddarm som er hengslet til brobanen.

I det minste en av stabilisatorene kan være utstyrt med en uavhengig regulerbar styreflate. På denne måten kan styreflaten reguleres i forhold til stabilisatoren for derved å endre kraften som vil dannes av stabilisatoren og utøves mot brobanen.

Fortrinnsvis er stabilisatorene anordnet i par som er montert på motsatte sider av brobanen og som er utbalansert av en forbindelsesleddarm. I dette tilfellet er forbindelsesleddarmen fortrinnsvis operativt anordnet mellom mekanismene i paret av stabilisatorer.

I henhold til et annet aspekt ved oppfinnelsen omfatter en fremgangsmåte for stabilisering av en bro som bæres av strekkelementer og klaff-stabilisatorer montert med akser generelt i lengderetningen av brobanen, for å svinges til en stilling for å forbedre stabiliteten til brobanen, mekanisk kobling av hver stabilisator til brobanen og et nær liggende strekkelement ved bruk av en mekanisme som aktiveres ved vinkelbevegelse mellom brobanen og strekkelementene om en lengdeakse i broen, for å svinge stabilisatorene ved bevegelse via mekanismen til en stilling som vil danne en kraft, i nærvær av en tverrgående vind, for å minske det samlede aerodynamiske løftet mot brobanen.

Oppfinnelsen skal i det følgende beskrives ved hjelp av eksempler, med henvisning til de vedføyde tegninger.

Fig. 1 er et skjematisk tverrsnitt gjennom en brobane i en bro som er stabilisert i

henhold til den foreliggende oppfinnelse.

Fig. 2 er en lignende avbildning som fig. 1, men illustrerer bevegelsen av et par stabilisatorer ved vinkelbevegelse i en retning mellom brobanen og et nærliggende strekkelement om en lengdeakse i broen. Fig. 3 er en avbildning som ligner fig. 2, men som illustrerer bevegelsen til stabilisatorene under vinkelbevegelse i den motsatte retningen mellom brobanen og et nærliggende strekkelement. Fig. 4 er en forstørrelse av det venstre partiet i fig. 2 og viser en type mekanisme som kan aktiveres ved vinkelbevegelse mellom brobanen og det nærliggende strekkelementet. Fig. 5 er en avbildning som ligner fig. 4, men som viser en modifikasjon av klaff- stabilisatorene. Fig. 6 er en avbildning som ligner fig. 1, men som viser utbalanseringen av et par

stabilisatorer.

Fig. 7 er en avbildning som ligner fig. 1, men som viser en alternativ montering av

stabilisatorene på en annerledes brobane.

Det er velkjent at hengebroer med lange spenn har en tendens til å oppvise en flagrende ustabilitet under tilstander med meget sterk vind. Et tiltak for å løse dette problemet har vært å øke torsjonsstivheten til brobanen for derved å øke den vindhastigheten der

ustabilitet inntreffer. Dette er oppnådd med konvensjonelle konstruksjonsteknikker som uunngåelig øker vekten til brobanen og følgelig også øker vekten til opphengskablene og

deres bærekonstruksjon. Et alternativt forsøk har vært å øke stabiliteten til brobanen ved hjelp av aktivt styrte klaffer. Slik aktiv stabilisering tilsvarer praksis som allerede er innført i styresystemer for fly, der balanserar eller andre styreinnretninger innstilles ved hjelp av hydrauliske, pneumatiske eller elektriske aktuatorer som respons på avfølt bevegelse av fartøyet, som i dette tilfellet er den delen av den fleksible brobanekonstruksjonen som stabiliseres.

Den foreliggende oppfinnelse frembringer et alternativt forslag for aktiv stabilisering med mekanisk styrte klaffer ved hjelp av leddarmer som er forbundet med opphengs-elementene til brobanen. På denne måten kan stabilisering oppnås uten bruk av flere akselerometere og tilhørende ledninger, computerstyring og betjeningssystemer som har vært foreslått for å svinge klaffer ved hjelp av hydrauliske, pneumatiske eller elektriske aktuatorer.

Med henvisning til fig. 1, 2 og 3 omfatter en hengebro en brobane 10 opphengt i et par ikke viste bærekabler ved hjelp av to rader av strekkelementer 11 og 12 som hensiktsmessig er dannet av stag eller kabler. Brobanen kan være av hvilken som helst passende konstruksjon som er kjent på området, og omfatter f.eks. en kassebjelke 13 som danner kjørebaner 14, 15 avgrenset av oppragende skiller 16, 17 og 18. Uavhengig av tverrsnittsprofilen har brobanen 10 aerodynamiske egenskaper når den utsettes for en tverrgående vind, og stabiliteten reguleres av to rader klaff-stabilisatorer 19 og 20 som befinner seg langs hver langsgående kant av brobanen 10. Hver stabilisator er forbundet med brobanen 10 i et hengsel 21 for svingning om en akse som generelt er i lengderetningen av brobanen, for derved å muliggjøre svingning av stabilisatoren 19, 20 til en stilling som vil bevirke en kraft, i nærvær av tverrgående vind, for å minske det samlede aerodynamiske løftet på det tilhørende partiet av brobanen 10.

De nedre ender av strekkelementene 11, 12 er fastgjort til endene av armer 22, som også er festet til brobanen 10 med respektive hengsler 23, for derved å muliggjøre vinkelbevegelse mellom hvert strekkelement 11 eller 12 på brobanen 10 om aksene til hengslene 23, som generelt er parallelle med aksen 21 til den tilhørende stabilisator.

Som det best fremgår av fig. 4 er en leddarm 24 via et hengsel 25 forbundet med stabilisatoren 19 i et punkt i avstand fra hengselet 21 og dessuten med et hengsel 26 til armen 22 i et punkt i avstand fra hengselet 23, idet hengslene 21, 23, 25 og 26 er parallelle. På denne måten vil enhver vinkelbevegelse mellom brobanen 10 og strekkelementet 11 bevirke vinkelbevegelse av armen 22 om hengselet 23, og derved bevirke at leddarmen 24 overfører denne bevegelsen til stabilisatoren 19, som vil dreie i den samme retningen om hengselet 21. Det vil fremgå at den effektive armlengden mellom hengslene 23, 26 er større enn mellom hengslene 21, 25, slik at vinkelbevegelsen til armen 22 bevirker en forsterket bevegelse av stabilisatoren 19. Det vil også fremgå at armen 22 og leddarmen 24, sammen med de tilhørende hengsler 21, 23, 25 og 26, danner en mekanisme som aktiveres ved vinkelbevegelse mellom brobanen 10 og det nærmeste strekkelementet 11.

På denne måten vil enhver torsjonsbevegelse av brobanen 10 i forhold til hvilket som helst av strekkelementene 11 eller 12 bevirke svingning av den nærmeste stabilisatoren 19 eller 20 og derved modifisere de aerodynamiske egenskaper til brobanen 10. Således vil, i fig. 2, dreining av et parti av brobanen 10 mot urviserne samtidig bevirke at den venstre stabilisatoren 19 heves mens den høyre stabilisatoren 20 senkes. På denne måten vil stabilisatorene 19 og 20 utøve et tilbakeføringsmoment til brobanen 10, uavhengig av hvorvidt den tverrgående vinden kommer fra venstre eller fra høyre.

I fig. 3 er brobanen 10 dreid med urviserne, og det vil fremgå at bevegelsen til stabilisatorene 19 og 20 er tilsvarende reversert slik at disse på nytt vil utøve et tilbakeføringsmoment på brobanen 10.

Det vil særlig fremgå at skråstillingen til stabilisatorene 19 og 20 alltid vil øke stabiliteten til brobanen 10, uavhengig av hvorvidt vinden blåser fra venstre eller høyre.

Forholdet mellom avstandene mellom hengslene 23 og 26 og hengslene 21 og 25 vil avhenge av dynamikken til brobanen 10 og opphenget 11, 12, og kan bestemmes ved vindtunneltester og/eller teoretiske beregninger. Forholdet vil for noen brokonstruksjoner avhenge av stillingen til den angjeldende stabilisator 19 eller 20 i spennretningen.

I fig. 5 er de fleste av komponentene ekvivalent med dem i fig. 4 og er gitt de samme henvisningstall, ettersom de har den samme funksjon. Den eneste modifikasjon er at

den ytre enden av stabilisatoren 19 er utformet med en uavhengig regulerbar styreflate 126 som er forbundet med stabilisatoren 19 i et hengsel 27 som er parallelt med aksen til hengselet 21. Styreflaten 126 kan svinges om hengselet 27 i forhold til stabilisatoren 19 av en drivaktuator 28 som befinner seg inne i stabilisatoren 19 slik som vist og driver styreflaten 126 via en leddarm 29. Drivaktuatoren kan drives mekanisk for å stille

styreflaten 126 i en stilling for å gi stabilisatoren 19 en ønsket karakteristikk for det partiet av brobanen som den er festet til, eller den kan drives elektrisk, pneumatisk eller hydraulisk slik at karakteristikken til stabilisatoren 19 kan reguleres kontinuerlig.

Fordelen med et mekanisk tilkoblet stabilisatorarrangement, slik som beskrevet med henvisning til fig. 1 - 4, er at det mangler store drivaktuatorer som ville trenge en kontinuerlig tilgjengelig energikilde, selv i vind med orkans styrke, og at det mangler computere og akselerometere. En aktiv styring er, til felles med sammenlignbare systemer i fly, imidlertid meget fleksibel ettersom endringer i styresystemet kan utføres forholdsvist enkelt, og kompliserte funksjoner kan om nødvendig oppnås.

Det attraktive ved det kombinerte arrangementet vist i fig. 5 er at de beste trekkene ved begge løsninger kan inkluderes. På denne måten kan det oppnås fordelen med store, mekanisk drevne stabilisatorer 19, 20, og deres funksjon kan økes med små aktivt regulerte flater 126 på lignende måte som trimmeflaps på et fly-høyderor. På denne måten utføres det meste av stabiliseringen av de store, mekanisk drevne stabilisatorer 19, 20, mens de små, aktivt styrte flater 126 finregulerer virkningen, og disse har et lite plassbehov, medfører lave omkostninger og krever lite energi og integritet, sammenlignet med et separat, aktivt styresystem.

Fig. 6 viser en konstruksjon som generelt er den samme som beskrevet ovenfor med henvisning til fig. 1 - 4, og de samme henvisningstall er benyttet for å angi likeverdige komponenter. Forskjellen er at massene til stabilisatorene 19, 20 er utbalansert av forbindelsesleddarmer 30 som har de ytre ender tilkoblet forlengelser 31 på stabilisator-opplagringen ved hjelp av hengsler 32 med akser som er parallelle med hengslene 21 og 23. De indre ender av leddarmene 30 er i et felles hengsel 33 festet til en leddarm 34 som kan dreie om et hengsel 35 som holdes av brobanen 10. På denne måten er massene til de i tverretningen innrettede par av stabilisatorer 19 og 20 utbalansert uansett deres svingestilling.

I fig. 7 er brobanen 10 av en noe annerledes konstruksjon, ved at armene 22 er montert på hengsler 23 som befinner seg innenfor de ytre langsgående kanter av brobanen 10, slik at det er avgrenset gangbaner 36 og 37. Klaff-stabilisatorene 19 og 20 er også flyttet slik at de er tilkoblet for å svinge om hengsler 38 som rager i lengderetningen av brobanen 10 og holdes av de respektive armer 22. Stabilisatorene 19 og 20 svinges av tilhørende leddarmer 39 som er hengslet slik som vist mellom brobanen 10 og stabilisatorene 19 og 20. Det vil fremgå at leddarmene 39 krysser armene 22, for å bevirke at vinkelbevegelsen mellom brobanen 10 og de nærmeste strekkelementer 11 og 12 bevirker at stabilisatorene 19 og 20 svinges i den korrekte retning. Det vil forstås at med dette arrangementet vil stabilisatorene 10 og 20, i stedet for å endre de aerodynamiske egenskaper til brobanen 10, utøve kompenserende krefter mot brobanen 10 via de respektive armer 22. Om ønskelig kan stabilisatorene 19 og 20 alternativt være montert direkte på strekkelementene 11 og 12.

I det tilfellet at strekkelementene er dannet av opphengsstag kan selve stagene være forbundet med en passende dreietapp som omfatter hengslene 23, slik at strekkstaget 11 eller 12 omfatter den øvre del av armen 22, og dreietappen er utformet for opplagring av hengselet 26.

Mekanismene vist i fig. 4 og 7 kan erstattes av en hvilken som helst annen passende mekanisme eller tannhjul som kan drive stabilisatorene 19 og 20.

Om ønskelig kan brobanen 10 være utstyrt med stabilisatorene 19 og 20 vist i både fig.

4 og 7.

I tillegg til å inngå i en brokonstruksjon som har en ny type stabilisering vil det fremgå at de beskrevne arrangementer kan benyttes for å modifisere eksisterende broer som har en brobane som bæres av strekkelementer, og at dette kan oppnås uten at det trengs fullstendig demontering av broen.

Claims (12)

1. Bro som omfatter en brobane (10) som bæres av strekkelementer (11, 12), og som er utstyrt med klaff-stabilisatorer (19, 20) som er hengslet om akser (21, 38) som generelt er i lengderetningen av brobanen (10), for svingning til en stilling for å forbedre stabiliteten til brobanen (10), karakterisert ved at hver stabilisator (19, 20) er mekanisk forbundet med brobanen (10) og et nærliggende strekkelement (11, 12) via en mekanisme som reagerer på vinkelbevegelse mellom brobanen (10) og strekkelementene (11, 12) om en langsgående akse i broen, slik at når det inntreffer vinkelbevegelse mellom et parti av brobanen (10) og det nærmeste strekkelementet (11, 12) vil den tilhørende stabilisator (19, 20) svinges av denne bevegelsen ved hjelp av mekanismen, til en stilling som vil bevirke en kraft mot dette partiet av brobanen (10) i nærvær av tverrgående vind.

2. Bro som angitt i krav 1, karakterisert ved at hver mekanisme omfatter en arm (22) som er festet til det tilhørende strekkelementet (11, 12) og er hengslet til brobanen (10) om en akse (23) som generelt er parallell med svingeaksen (21, 38) til den tilhørende stabilisator (19, 20).

3. Bro som angitt i krav 1, karakterisert ved at hver mekanisme er innrettet til å forsterke svingningen av den tilhørende stabilisator (19, 20) i forhold til vinkelbevegelsen.

4. Bro som angitt i krav 2, karakterisert ved at i det minste noen av stabilisatorene (19, 20) er hengslet om de respektive akser (21) direkte mot brobanen (10) og er innrettet til å svinges av tilhørende leddarmer (24) som er hengslet (25, 26) til de tilhørende armer (22).

5. Bro som angitt i krav 1, karakterisert ved at i det minste noen av stabilisatorene (19, 20) er hengslet om de respektive akser (21) direkte mot brobanen (10) og er posisjonert for å modifisere de aerodynamiske egenskaper til brobanen (10).

6. Bro som angitt i krav 1, karakterisert ved at i det minste noen av stabilisatorene (19, 20) er hengslet om de respektive akser (38) fra strekkelementene (11, 12).

7. Bro som angitt i krav 2, karakterisert ved at i det minste noen av stabilisatorene (19, 20) er hengslet om de respektive akser (38) fra de tilhørende armer (22).

8. Bro som angitt i krav 7, karakterisert ved at hver stabilisator (19, 20) er innrettet til å svinges av en leddarm (39) som er hengslet til brobanen (10).

9. Bro som angitt i krav 1, karakterisert ved at i det minste én av stabilisatorene (19, 20) er utstyrt med en uavhengig regulerbar styreflate (126).

10. Bro som angitt i krav 1, karakterisert ved at et par av stabilisatorene (19, 20) er montert på motsatte sider av brobanen (10) og er utbalansert av en forbindelsesleddarm (30, 34).

11. Bro som angitt i krav 10, karakterisert ved at forbindelsesleddarmen (30, 34) er operativt anordnet mellom mekanismene for paret av stabilisatorer (19, 20).

12. Fremgangsmåte for stabilisering av en bro som omfatter en brobane (10) som bæres av strekkelementer (11, 12) og som er utstyrt med klaff-stabilisatorer (19, 20) montert med akser (21, 38) generelt i lengderetningen av brobanen (10), for å svinges til en stilling for å forbedre stabiliteten til brobanen (10), karakterisert ved at hver stabilisator (19, 20) forbindes mekanisk med brobanen (10) og et nærliggende strekkelement (11, 12) ved bruk av en mekanisme som aktiveres ved vinkelbevegelse mellom brobanen (10) og strekkelementene (11, 12) om en langsgående akse i broen, for å svinge stabilisatorene (19, 20) ved bevegelse via mekanismen, til en stilling som vil danne en kraft, i nærvær av en tverrgående vind, for å minske det samlede aerodynamiske løftet mot brobanen (10).