RU177392U1

RU177392U1 - DEVICE FOR REDUCING THE OVERVIEW OF BRIDGES OF THE BRIDGE DESIGN CAUSED BY THE WIND

Info

Publication number: RU177392U1
Application number: RU2017127393U
Authority: RU
Inventors: Андрей Сергеевич Гузеев; Сергей Юрьевич Соловьев; Виктор Владимирович Соколов; Артём Николаевич Новиков
Original assignee: Федеральное государственное унитарное предприятие "Крыловский государственный научный центр"
Priority date: 2017-07-31
Filing date: 2017-07-31
Publication date: 2018-02-20

Abstract

Полезная модель относится к области аэрогидродинамики, а именно к устройствам для уменьшения колебаний мостовой конструкции и может быть использована для уменьшения поперечных колебаний пролетных строений мостов, вызванных ветровым воздействием. Целью предлагаемого устройства является уменьшение колебаний конструкции пролетного строения моста, вызванных отрывом потока. Технический результат заключается в устранении отрыва потока во всем диапазоне скоростей ветра, а также в снижении материалоемкости конструкции. Указанный технический результат достигается тем, что устройство для уменьшения колебаний мостовой конструкции, вызванных ветром, содержит пару горизонтальных и наклонных пластин, имеющих прямоугольную форму в плане и размещенных вдоль пролетного строения с обеих его сторон ниже уровня нижней поверхности балки жесткости. Пластины выполнены в виде отдельных секций и расположены относительно друг друга на расстоянии от 0,1 до 50 Н, где Н - высота балки жесткости пролетного строения моста, наклонные пластины шарнирно связаны с неподвижными горизонтальными пластинами, выполненные с возможностью отклоняться от вертикали на угол наклона β, изменяющийся в пределах от β 0° до β 180°, с помощью привода управления углом наклона β, получающего сигнал от датчика ускорения, установленного на конструкции пролетного строения моста. Устройство для уменьшения колебаний мостовой конструкции, вызванных ветром, может использоваться как постоянный элемент конструкции существующего моста, так и в качестве временного модуля, позволяющего на стадии монтажа мостового пролета обезопасить его от возможности возникновения аэродинамической неустойчивости.The utility model relates to the field of aerohydrodynamics, namely, devices for reducing vibrations of a bridge structure and can be used to reduce lateral vibrations of bridge spans caused by wind. The aim of the proposed device is to reduce fluctuations in the span structure of the bridge caused by flow separation. The technical result consists in eliminating flow separation in the entire range of wind speeds, as well as in reducing the material consumption of the structure. The specified technical result is achieved in that the device for reducing vibrations of the bridge structure caused by the wind contains a pair of horizontal and inclined plates having a rectangular shape in plan and placed along the span on both sides below the level of the lower surface of the stiffener. The plates are made in the form of separate sections and are located relative to each other at a distance from 0.1 to 50 N, where N is the height of the stiffness beam of the bridge span, inclined plates are pivotally connected to stationary horizontal plates, made with the ability to deviate from the vertical by an angle of inclination β , varying from β 0 ° to β 180 °, using the angle control β, receiving a signal from the acceleration sensor mounted on the bridge span structure. A device for reducing vibrations of a bridge structure caused by wind can be used as a permanent structural element of an existing bridge, or as a temporary module, which allows it to be protected from the possibility of aerodynamic instability at the stage of installation of a bridge span.

Description

Полезная модель относится к области аэрогидродинамики, а именно к устройствам для уменьшения колебаний мостовой конструкции и может быть использована для уменьшения поперечных колебаний пролетных строений мостов, вызванных ветровым воздействием.The utility model relates to the field of aerohydrodynamics, namely, devices for reducing vibrations of a bridge structure and can be used to reduce lateral vibrations of bridge spans caused by wind.

Известно, что уменьшение колебаний мостов обеспечивается установкой механических или аэродинамических гасителей колебаний (М.И. Казакевич, «Аэродинамика мостов», М., Изд. «Транспорт», 1987 г.). Принципиальная разница между механическими и аэродинамическими гасителями заключается в том, что последние устраняют причину явления ветрового резонанса, существенно изменяя характер обтекания конструкции ветром. Механические гасители представляют собой гидравлические демпферы, устанавливаемые в определенных местах пролетного строения моста. Эти гасители эффективны, но связаны со значительными конструктивными трудностями при их реализации. Аэродинамическое гашение колебаний, идея которого заключается в нарушении регулярного периодического вихреобразования при обтекании конструкции ветровым потоком, позволяет устранить основную причину колебаний.It is known that the reduction of bridge oscillations is provided by the installation of mechanical or aerodynamic vibration dampers (MI Kazakevich, “Aerodynamics of bridges”, M., “Transport” Publishing House, 1987). The fundamental difference between mechanical and aerodynamic dampers is that the latter eliminate the cause of the phenomenon of wind resonance, significantly changing the nature of the wind flow around the structure. Mechanical dampers are hydraulic dampers installed in certain places of the bridge span. These dampers are effective, but are associated with significant structural difficulties in their implementation. Aerodynamic damping of oscillations, the idea of which is to disrupt regular periodic vortex formation during a wind flow around a structure, eliminates the main cause of oscillations.

Под действием ветра колебания мостов могут вызываться различными видами аэроупругой неустойчивости: галопированием, изгибно-крутильным флаттером, срывным флаттером, бафтингом, вихревым возбуждением. Установлено (М.И. Казакевич «Аэроупругая неустойчивость балочных мостов», журнал «Металлические конструкции», т. 16, №3, 2010 г., с. 163-170), что для большинства типов мостов с пролетным строением длиной более 100 метров причиной колебаний при ветре является вихревое возбуждение, когда собственная частота колебаний мостовой конструкции совпадает с частотой срыва вихрей кармана.Under the influence of wind, bridge vibrations can be caused by various types of aeroelastic instability: galloping, flexural-torsional flutter, shear flutter, buffering, vortex excitation. It was established (MI Kazakevich “Aeroelastic instability of beam bridges”, “Metal Structures” magazine, vol. 16, No. 3, 2010, p. 163-170) that for most types of bridges with a span of more than 100 meters the cause of vibrations in the wind is vortex excitation, when the natural frequency of vibrations of the bridge structure coincides with the frequency of disruption of the vortices of the pocket.

Известен аналог - патент RU 2500852 С2 от 11.10.2011 г. «Устройство для снижения поперечных колебаний пролетного строения мостов, вызванных ветровым воздействием», который включает разрушители периодических вихрей, выполненные в виде неподвижных пластин, имеющих треугольную форму в плане и размещенных вдоль пролета моста с обеих его сторон. Недостатком данного технического решения является ограниченный диапазон скоростей воздушного потока, на которых оно работает эффективно.The analogue is known - patent RU 2500852 C2 dated 10/11/2011. "Device for reducing transverse vibrations of the bridge span caused by wind exposure", which includes periodical vortex breakers made in the form of fixed plates having a triangular shape in plan and placed along the bridge span on both sides of it. The disadvantage of this technical solution is the limited range of air flow rates at which it operates efficiently.

Наиболее близкое техническое решение «Конструкция для ветроустойчивости моста» (патент JP 2012052336 А от 15.03.2012 г.), которое позволяет обеспечить устойчивое обтекание ветром конструкции моста и достичь эффективного подавления колебаний. Устройство представляет собой конструкцию, состоящую из пары неподвижных направляющих пластин, установленных под нижней частью балки жесткости моста. Пластины установлены под углом друг к другу и служат для направления набегающего воздушного потока под нижнюю часть балки жесткости моста, обеспечивая тем самым изменение режима обтекания конструкции. Недостатком данного технического решения является низкая эффективность работы в широком диапазоне скоростей воздушного потока.The closest technical solution is "Design for wind resistance of the bridge" (patent JP 2012052336 A dated 03/15/2012), which allows for stable wind flow around the bridge structure and to achieve effective vibration suppression. The device is a structure consisting of a pair of fixed guide plates mounted under the bottom of the bridge stiffener. The plates are installed at an angle to each other and serve to direct the incoming air flow under the lower part of the bridge stiffness beam, thereby providing a change in the flow regime of the structure. The disadvantage of this technical solution is the low efficiency in a wide range of air flow rates.

Целью предлагаемого устройства является уменьшение колебаний конструкции пролетного строения моста, вызванных отрывом потока.The aim of the proposed device is to reduce fluctuations in the span structure of the bridge caused by flow separation.

Технический результат заключается в устранении отрыва потока во всем диапазоне скоростей ветра. Также достигается снижение материалоемкости конструкции.The technical result is to eliminate flow separation in the entire range of wind speeds. A reduction in the material consumption of the structure is also achieved.

Указанный технический результат достигается тем, что устройство для уменьшения колебаний мостовой конструкции, вызванных ветром, содержит пару горизонтальных и наклонных пластин, имеющих прямоугольную форму в плане, и размещенные вдоль пролетного строения с обеих его сторон ниже уровня нижней поверхности балки жесткости. Пластины выполнены в виде отдельных секций, и расположены относительно друг друга на расстоянии от 0,1 до 50 Н, где Н - высота балки жесткости пролетного строения моста, наклонные пластины шарнирно связаны с неподвижными горизонтальными пластинами, выполненные с возможностью отклоняться от вертикали на угол наклона β, изменяющийся в пределах от 0° до 180°, с помощью привода управления углом наклона β, получающего сигнал от датчика ускорения, установленного на конструкции пролетного строения моста.The specified technical result is achieved in that the device for reducing vibrations of the bridge structure caused by the wind contains a pair of horizontal and inclined plates having a rectangular shape in plan and placed along the span on both sides below the level of the lower surface of the stiffener. The plates are made in the form of separate sections, and are located relative to each other at a distance from 0.1 to 50 N, where N is the height of the stiffness beam of the bridge span, inclined plates are pivotally connected to stationary horizontal plates, made with the ability to deviate from the vertical by an angle of inclination β, varying from 0 ° to 180 °, using a tilt angle control drive β, receiving a signal from an acceleration sensor mounted on the bridge span structure.

Вся конструкция устройства в сборе выполнена не на всю длину пролетного строения, а разделена на секции установленные вдоль пролетного строения с интервалом, изменяющимся в диапазоне от 0,1 Н до 50 Н, где Н - высота балки жесткости пролетного строения моста. Выполнение устройства в виде отдельных секций позволяет снизить материалоемкость конструкции и повысить его эффективность для снижения уровня колебаний конструкции. Разделение конструкции устройства на секции, выполненные в виде пары горизонтальных и поворотных прямоугольных пластин, позволяет создать трехмерное обтекание без образования периодических кармановских вихрей. Таким образом, устраняется переменная подъемная сила на пролетном строении, благодаря чему уменьшаются поперечные колебания моста.The entire design of the device assembly is not made for the entire length of the span, but is divided into sections installed along the span with an interval varying from 0.1 N to 50 N, where N is the height of the stiffness beam of the bridge span. The implementation of the device in the form of separate sections allows to reduce the material consumption of the structure and increase its efficiency to reduce the level of vibration of the structure. The separation of the device structure into sections, made in the form of a pair of horizontal and rotary rectangular plates, allows you to create three-dimensional flow around without the formation of periodic pocket vortices. Thus, the variable lifting force on the span is eliminated, due to which the transverse vibrations of the bridge are reduced.

Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1 и 2 приведен общий вид устройства установленного на пролетном строении моста, на фиг. 3 и 4 - конструктивная схема составных частей устройства, на фиг. 5 - схема линий тока при воздействии ветра на мостовую конструкцию, на фиг. 6 - схема линий тока при воздействии ветра на мостовую конструкцию с установленным устройством.The essence of the proposed utility model is illustrated by drawings, where in FIG. 1 and 2 show a general view of the device installed on the bridge span, in FIG. 3 and 4 is a structural diagram of the component parts of the device, in FIG. 5 is a diagram of streamlines under the influence of wind on a bridge structure; FIG. 6 is a diagram of streamlines when exposed to wind on a bridge structure with an installed device.

Каждая секция устройства размещается с обеих сторон пролетного строения моста 1 друг относительно друга на расстоянии, равном от 0,1 до 50 Н, где Н - высота балки жесткости пролетного строения моста (фиг. 3 и 4). Отдельная секция устройства состоит из пары горизонтальной 2 и наклонной 3 пластин, имеющих прямоугольную форму в плане. Горизонтальная пластина может крепиться к мосту на кронштейнах 4 ниже уровня нижней поверхности балки жесткости пролетного строения. Наклонная пластина шарнирно 5 связана с горизонтальной и имеет возможность отклоняться от вертикали на угол β, изменяющийся в пределах от 0° до 180°, Поворот наклонной пластины осуществляется с помощью привода (механического, гидравлического или иного) управления наклоном 6. Управление приводом связано с установленным на конструкции пролетного строения датчиком ускорения (например, акселерометром) 7.Each section of the device is placed on both sides of the bridge span 1 relative to each other at a distance equal to 0.1 to 50 N, where N is the height of the stiffness beam of the bridge span (Fig. 3 and 4). A separate section of the device consists of a pair of horizontal 2 and inclined 3 plates having a rectangular shape in plan. The horizontal plate can be attached to the bridge on brackets 4 below the level of the lower surface of the span stiffener. The inclined plate 5 is pivotally connected to the horizontal and has the ability to deviate from the vertical by an angle β, varying from 0 ° to 180 °. The inclined plate is rotated by means of a drive (mechanical, hydraulic or other) for tilting control 6. The drive is connected with the installed on the span structure with an acceleration sensor (for example, an accelerometer) 7.

Устройство для уменьшения колебаний мостовой конструкции, вызванных ветром, работает следующим образом. При воздействии ветра на пролетное строение моста с установленным устройством, воздушный поток сначала натекает на наклонные пластины 3 с наветренной стороны пролетного строения 1, которые направляют поток по горизонтальным пластинам 2 вдоль нижней поверхности пролета моста. С подветренной стороны поток разворачивается, проходя между поверхностями балки жесткости пролетного строения и горизонтальной и наклонной пластинами. Таким образом, организуется близкое к безотрывному обтекание конструкции (фиг. 6), что существенным образом изменяет характер обтекания пролетного строения, и значительно уменьшает амплитуду колебаний конструкции под действием ветра.A device for reducing vibrations of a bridge structure caused by wind, works as follows. When the wind acts on the bridge span with the device installed, the air flow first flows onto the inclined plates 3 from the windward side of the bridge 1, which direct the flow along horizontal plates 2 along the lower surface of the bridge span. On the leeward side, the flow unfolds between the surfaces of the span stiffener beam and the horizontal and inclined plates. Thus, a near-continuous flow around the structure is organized (Fig. 6), which significantly changes the nature of the flow around the span, and significantly reduces the amplitude of the vibrations of the structure under the influence of wind.

При эксплуатации моста явления аэродинамической неустойчивости могут возникать при различной скорости и угле натекания на мост воздушного потока. При этом могут реализовываться различные режимы обтекания пролета моста. Обеспечить необходимый режим обтекания моста воздушным потоком можно, изменяя угол поворота наклонных пластин. Для этого непосредственно на пролетное строение моста устанавливается датчик ускорения (акселерометр), связанный с приводом управления углом наклона поворотных пластин. Акселерометр работает непрерывно. На основе его показаний оценивается амплитуда колебаний пролетного строения в процессе его эксплуатации. В случае превышения допустимого уровня колебаний моста от акселерометра поступает сигнал на привод управления углом поворота наклонных пластин. Пластины поворачиваются на заранее известный для данного моста угол, пока амплитуда колебаний пролета моста не уменьшиться до допустимых значений.During the operation of the bridge, aerodynamic instability phenomena can occur at different speeds and angles of leakage of airflow onto the bridge. In this case, various modes of flow around the bridge span can be implemented. It is possible to provide the necessary airflow around the bridge by changing the angle of rotation of the inclined plates. To do this, an acceleration sensor (accelerometer) is connected directly to the bridge span, which is connected with the drive for controlling the angle of inclination of the rotary plates. The accelerometer runs continuously. Based on his testimony, the amplitude of the span vibrations during its operation is estimated. If the permissible level of bridge oscillations is exceeded, an accelerometer receives a signal to the drive controlling the angle of rotation of the inclined plates. The plates rotate at an angle previously known for a given bridge, until the amplitude of the bridge span oscillations decreases to acceptable values.

При использовании описываемого устройства во всем диапазоне скоростей ветра устраняются периодические срывы кармановских вихрей с поверхности пролетного строения и возникающие в этой связи периодическая подъемная сила в поперечном направлении, а вызванные ею колебания пролетного строения моста существенно уменьшаются.When using the described device in the entire range of wind speeds, periodic disruptions of the Karman vortices from the surface of the span and the resulting periodic lifting force in the transverse direction are eliminated, and the fluctuations in the span of the bridge caused by it are significantly reduced.

Данное техническое решение позволяет спроектировать готовые секции, состоящие из горизонтальных и наклонных пластин и привода управления углом поворота и устанавливать их на любые мостовые конструкции, как универсальное средство для управления отрывом потока.This technical solution allows you to design ready-made sections, consisting of horizontal and inclined plates and a drive for controlling the angle of rotation, and install them on any bridge structures, as a universal means for controlling flow separation.

Устройство для уменьшения колебаний мостовой конструкции, вызванных ветром, может использоваться как постоянный элемент конструкции существующего моста, так и в качестве временного модуля, позволяющего на стадии монтажа мостового пролета обезопасить его от возможности возникновения аэродинамической неустойчивости.A device for reducing vibrations of a bridge structure caused by wind can be used as a permanent structural element of an existing bridge, or as a temporary module, which allows it to be protected from the possibility of aerodynamic instability at the stage of installation of a bridge span.

Claims

A device for reducing vibrations of a bridge structure caused by wind, containing a pair of horizontal and inclined plates having a rectangular shape in plan and placed along the span on both sides below the level of the lower surface of the stiffener, characterized in that the plates are made in separate sections and arranged relative to each other at a distance from 0.1 to 50 N, where N is the height of the stiffness beam span of the bridge, the inclined plates are pivotally connected to stationary horizontal plates and made with the ability to deviate from the vertical by an angle of inclination β, varying from 0 ° to 180 °, with the help of a control angle of inclination β receiving a signal from an acceleration sensor mounted on the bridge span structure.