ГОСТ Р 59625-2022 Дороги автомобильные общего пользования. Мостовые сооружения. Правила расчета и подтверждения аэроупругой устойчивости

    ГОСТ Р 59625-2022

НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Дороги автомобильные общего пользования

МОСТОВЫЕ СООРУЖЕНИЯ

Правила расчета и подтверждения аэроупругой устойчивости

Automobile roads of the general use. Bridge constructions. The rules of the aeroelastic stability. Calculation and verification

ОКС 93.040

Дата введения 2022-04-01

Предисловие

1 РАЗРАБОТАН Обществом с ограниченной ответственностью "Мастерская мостов" (ООО "Мастерская мостов"), Открытым акционерным обществом "Институт Гипростроймост" (ОАО "Институт Гипростроймост"), Новосибирским государственным техническим университетом (НГТУ), Акционерным обществом "Институт Гипростроймост - Санкт-Петербург" (АО "Институт Гипростроймост - Санкт-Петербург"), Федеральным государственным унитарным предприятием "Крыловский государственный научный центр" (ФГУП "Крыловский государственный научный центр")

2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 418 "Автомобильные дороги"

3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 18 января 2022 г. N 10-ст

4 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

Правила применения настоящего стандарта установлены в статье 26 Федерального закона от 29 июня 2015 г. N 162-ФЗ "О стандартизации в Российской Федерации". Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодном (по состоянию на 1 января текущего года) информационном указателе "Национальные стандарты", а текст изменений и поправок - в ежемесячном информационном указателе "Национальные стандарты". В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ближайшем выпуске ежемесячного информационного указателя "Национальные стандарты". Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет (www.rst.gov.ru)

1 Область применения

Настоящий стандарт распространяется на мостовые сооружения, расположенные на автомобильных дорогах общего пользования (далее - автомобильные дороги), в том числе при прохождении автомобильных дорог общего пользования по территории населенных пунктов.

Настоящий стандарт устанавливает правила расчета и подтверждения аэроупругой устойчивости новых, реконструируемых и подвергаемых капитальному ремонту мостовых сооружений постоянного типа, а также пешеходных мостов.

2 Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использованы ссылки на следующие документы:

ГОСТ 4401 Атмосфера стандартная. Параметры

ГОСТ 33390 Дороги общего пользования. Мосты. Нагрузки и воздействия

СП 20.13330.2016 "СНиП 2.01.07-85* Нагрузки и воздействия"

СП 35.13330.2011 "СНиП 2.05.03-84* Мосты и трубы"

Примечание - При пользовании настоящим стандартом целесообразно проверить действие ссылочных стандартов (сводов правил) в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет или по ежегодному информационному указателю "Национальные стандарты", который опубликован по состоянию на 1 января текущего года, и по выпускам ежемесячного информационного указателя "Национальные стандарты" за текущий год. Если заменен ссылочный документ, на который дана недатированная ссылка, то рекомендуется использовать действующую версию этого документа с учетом всех внесенных в данную версию изменений. Если заменен ссылочный документ, на который дана датированная ссылка, то рекомендуется использовать версию этого документа с указанным выше годом утверждения (принятия). Если после утверждения настоящего стандарта в ссылочный документ, на который дана датированная ссылка, внесено изменение, затрагивающее положение, на которое дана ссылка, то это положение рекомендуется применять без учета данного изменения. Если ссылочный документ отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, рекомендуется применять в части, не затрагивающей эту ссылку. Сведения о действии сводов правил целесообразно проверить в Федеральном информационном фонде стандартов.

3 Термины и определения

В настоящем стандарте применены следующие термины с соответствующими определениями:

3.1 аэродинамика: Раздел механики сплошных сред, изучающий законы движения воздуха и силы, действующие на обтекаемые тела.

3.2 аэродинамические весы: Устройство для измерения аэродинамических сил, действующих на обтекаемую воздухом модель.

3.3 аэродинамические гасители колебаний: Конструктивные приспособления, изменяющие характер обтекания конструкции ветровым потоком с целью подавления аэроупругих колебаний.

3.4 аэродинамическая труба; АДТ: Техническое устройство, предназначенное для исследования взаимодействия воздушного потока с различными объектами.

3.5 аэроупругость: Область прикладной механики, в которой изучается взаимодействие упругой системы с потоком газа (воздуха).

3.6 аэроупругая устойчивость: Способность мостовой конструкции сопротивляться развитию негативных явлений аэроупругой неустойчивости, таких как вихревое возбуждение, галопирование, бафтинг, флаттер и др.

3.7 бафтинг: Вынужденные колебания конструкции или отдельных ее элементов в спутном следе, возникающем при обтекании ветровым потоком другой конструкции, расположенной с наветренной стороны.

3.8 базовая скорость ветра в районе строительства: Скорость ветра на уровне 10 м от поверхности земли, осредненная на 10-минутном интервале с периодом повторяемости 5 лет (превышаемая один раз в 5 лет, с вероятностью ежегодного превышения 20%).

3.9 вихревое возбуждение: Колебания сооружения поперек потока в узком диапазоне скоростей ветра, возникающие при совпадении одной из собственных частот колебаний сооружения с частотой схода вихрей дорожки Кармана.

3.10 вычислительная гидроаэродинамика; CFD: Раздел механики жидкости и газа, включающий совокупность математических и численных методов, предназначенных для решения проблем, связанных с потоками жидкости или газа, в том числе с ветровым потоком в приземном слое атмосферы.

3.11 галопирование: Автоколебания поперек потока, вызванные отрицательным аэродинамическим демпфированием, возникающие, когда профиль сооружения имеет отрицательные значения производной подъемной силы по углу атаки.

3.12 изгибно-крутильный флаттер: Совместные изгибно-крутильные самовозбуждающиеся колебания, характеризующиеся неограниченно и резко возрастающей амплитудой.

3.13 аэродинамические исследования: Физические или численные исследования.

3.14 численные исследования: Моделирование обтекания конструкции ветровым потоком методами вычислительной гидроаэродинамики при помощи численных алгоритмов с целью определения аэродинамических сил, коэффициентов аэродинамических сил и границ аэроупругой устойчивости конструкции.

3.15 физические исследования: Испытания физических моделей сооружения в аэродинамических трубах.

3.16 критерии подобия: Условия равенства одноименных чисел подобия для натурной и модельной конструкции.

3.17 критическая скорость галопирования, изгибно-крутильного и срывного флаттера, бафтинга, дивергенции: Скорость начала соответствующего аэроупругого явления.

3.18 критическая скорость вихревого возбуждения: Скорость, соответствующая максимальным амплитудам вихревого возбуждения (резонансная скорость).

Примечание - При этом в окрестностях критической скорости (в так называемой области захвата) также происходят колебания вихревого возбуждения, но с меньшими амплитудами.

3.19 ландшафтная аэродинамическая труба: Тип аэродинамической трубы с длинной рабочей частью, предназначенной для моделирования распределения по вертикали скорости и турбулентных характеристик приземного слоя атмосферы.

3.20 натурное сооружение (натурная конструкция): Частично или полностью построенное мостовое сооружение.

3.21 нормативная скорость ветра: Скорость ветра на высоте конструкции, осредненная на 10-минутном интервале с периодом повторяемости 5 лет (превышаемая один раз в 5 лет, с вероятностью ежегодного превышения 20%).

3.22 приземный слой атмосферы: Прилегающий к земной поверхности слой атмосферы, свойства которого в основном определяются взаимодействием с земной поверхностью.

3.23 полная динамически-подобная модель: Модель всего сооружения или его части, созданная с соблюдением основных критериев подобия так, что возможность колебаний обеспечивается за счет деформаций самой модели.

3.24 расчетная скорость ветра: Скорость ветра на высоте конструкции, осредненная на 10-минутном интервале с периодом повторяемости n лет (превышаемая один раз в n лет, с вероятностью ежегодного превышения).

3.25 секционная геометрически-подобная модель: Модель секции, представляющая собой жесткую конструкцию, в которой соблюдается геометрическое подобие конструктивных элементов пролетного строения.

3.26 секционная динамически-подобная модель: Модель участка пролетного строения, созданная с соблюдением основных критериев подобия путем установки секционной геометрически-подобной модели на упругие подвесы так, что возможность колебаний модели обеспечивается за счет деформаций упругих подвесов.

3.27 спектр частот мостового сооружения: Упорядоченный по значениям набор частот собственных колебаний.

Примечание - Первой считается форма колебаний с наименьшей частотой (с наибольшим периодом).

3.28 срывной флаттер: Самовозбуждающиеся колебания конструкции с частотой, близкой к собственной частоте крутильных колебаний, связанные с гистерезисом зависимости крутящего момента от угла атаки.

3.29 турбулентное движение: Трехмерное нестационарное движение ветрового потока в приземном слое атмосферы, при котором скорость и давление изменяются хаотично, неупорядоченно во времени и пространстве.

3.30 турбулентность: Мера изменчивости скорости ветра при турбулентном движении в приземном слое атмосферы, характеризующаяся спектром пульсаций скорости, интенсивностью турбулентности, определяемой как отношение стандартного отклонения пульсаций скорости к среднему значению скорости.

3.31 экранный эффект: Эффект изменения характера обтекания и аэродинамических сил, действующих на конструкцию, расположенную близко к поверхности земли/воды (подстилающей поверхности).

4 Обозначения и сокращения

В настоящем стандарте применены следующие обозначения и сокращения с соответствующими определениями:

ЛДК - логарифмический декремент колебаний;

ПС - пролетное строение.

5 Общие положения

5.1 Учет ветрового воздействия должен отражать многообразие воздействия ветра на сооружения в целом и отдельные элементы конструкций, включая:

- статическое действие ветрового потока;

- динамическое действие ветрового потока, обусловленное пульсациями ветра, одиночными порывами и грозовыми фронтами;

- аэроупругое взаимодействие ветрового потока с конструкциями ПС.

5.2 Расчеты на статическое и динамическое (пульсационное) воздействия ветра следует проводить согласно ГОСТ 33390, СП 20.13330.2016, СП 35.13330.2011. Оценка аэроупругих явлений с целью обеспечения аэроупругой устойчивости мостовых сооружений и учет допустимых колебаний, вызванных ветровым воздействием, с точки зрения напряженно-деформированного состояния мостового сооружения, должны проводиться согласно требованиям настоящего стандарта.

5.3 Классификация явлений аэроупругой неустойчивости, которые необходимо учитывать при проектировании мостовых сооружений, приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Явления аэроупругой неустойчивости

5.4 Проверку аэроупругой устойчивости следует выполнять:

- для вантовых и висячих мостов;

- для стальных балочных со сплошной стенкой, рамных, арочных и экстрадозных мостов при периоде собственных поперечных изгибных колебаний в вертикальной плоскости по первой форме указанных типов мостовых сооружений более 1,5 с;

- для отдельных элементов решетчатых конструкций и подвесок арочных мостов с гибкостью 1 более 100.

5.5 Для вантовых, висячих, арочных с гибкими подвесками и экстрадозных мостов по 5.4 следует выполнять проверки для всех явлений аэроупругой неустойчивости по 5.3.

5.6 Для балочных (включая консоли на монтаже) и рамных мостов, указанных в 5.4, следует выполнять проверки на вихревое возбуждение согласно разделу 8 и проверку на бафтинг согласно разделу 12; кроме того, для балочных мостов, указанных в 5.4, следует:

- выполнять проверку на галопирование согласно разделу 9, если расчетная скорость в уровне сооружения превышает 25 м/с и соотношение ширины ПС к высоте B/H менее 3,5. Высота H с учетом сплошных ограждающих конструкций проезжей части определяется в соответствии с приложением А;

- выполнять проверку на изгибно-крутильный флаттер согласно разделу 11, если балочное ПС состоит из главных балок открытого профиля.

5.7 Отдельные элементы решетчатых ПС по 5.4 следует проверять только на вихревое возбуждение согласно разделу 8.

5.8 Для проверки аэроупругой устойчивости следует использовать инженерные методы, численные и физические аэродинамические исследования в соответствии с требованиями разделов 8-12.

5.9 Для балочных мостов, рамных мостов и консолей на монтаже, для которых не требуется проверка на галопирование и бафтинг согласно критериям по 5.6, а также выполнен критерий невозможности развития изгибно-крутильного флаттера согласно 11.3, допускается выполнять проверку аэроупругой устойчивости только на вихревое возбуждение с использованием инженерных методик, приведенных в приложениях Б и В, при наличии необходимых экспериментальных параметров (в случае консоли с участками различного сечения - для всех участков). Исключение составляют мосты в условиях сложного рельефа, кривые в плане мосты с радиусом кривизны менее 200 м. Для консолей с аванбеком по 5.4 из балок со сплошной неперфорированной стенкой или при перфорации стенки не более 15% проверку аэроупругой устойчивости рекомендуется выполнять при помощи физических исследований.

5.10 При двухстадийном проектировании в случаях, предусмотренных в 5.11 и 5.12, допускается в рамках стадии "Проект" ограничиться численными исследованиями, а выполнение физических исследований завершить в рамках стадии "Рабочая документация". Для балочных мостов с периодом колебаний в интервале от 1,5 до 2,2 с допускается ограничиться численными исследованиями вне зависимости от стадии проектирования за исключением случаев выраженного трехмерного характера обтекания потоком воздуха поперечного сечения ПС:

- неравномерная установка аэродинамических средств гашения колебаний;

- при изменении высоты или ширины поперечного сечения ПС (более 0,5 м/10 м в среднем) в пределах участка длиной 6H (где H - полная высота ПС) от точки с максимальной ординатой вертикальной формы колебаний.

5.11 Физические аэродинамические исследования в аэродинамических трубах на секционных динамически-подобных моделях следует проводить:

- для балочных мостов с периодом собственных колебаний по первой вертикальной форме выше 2,2 с;

- вантовых и висячих мостов;

- арочных мостов с гибкими подвесками и экстрадозных мостов по 5.4;

- случая трехмерного характера обтекания потоком воздуха поперечного сечения исследуемого конструктивного элемента;

- подтверждения эффективности аэродинамических средств гашения колебаний, перечисленных в Г.2.6 приложения Г, а также иных аэродинамических средств гашения, установленных дискретно по длине ПС;

- параллельных близкорасположенных мостовых сооружений в случаях, оговоренных в разделе 12, с периодом собственных колебаний по первой вертикальной форме выше 2 с.

5.12 Физические исследования на полной динамически-подобной модели моста в дополнение к секционной динамически-подобной модели рекомендуется проводить:

- для висячих мостов;

- мостов, у которых пилоны имеют сложную пространственную форму или поперечные сечения пилона существенно отличаются от круглого или прямоугольного поперечного сечения;

- мостов с пилонами разной высоты или разной конструкции;

- параллельных вантовых и висячих мостов, находящихся в непосредственной близости друг к другу или находящихся вблизи существующего моста, в случаях, оговоренных в разделе 12;

- ПС мостов по 5.11, расположенных на кривой в плане с радиусом менее 200 м;

- мостов с пролетом более 500 м;

- мостов по 5.11, расположенных в местности со сложным рельефом;

- вантовых мостов в условиях городской застройки с высотой зданий более 20 м;

- мостов по 5.11 через морские проливы, бухты и заливы;

- консолей на монтаже, составляющих исключение согласно 5.9;

- консолей вантовых мостов на стадии монтажа при максимальном вылете консоли.

5.13 Для вантовых и висячих мостов дополнительно рекомендуется проведение физических аэродинамических исследований на динамически-подобной модели отдельно стоящего пилона на стадии монтажа.

5.14 Для уменьшения амплитуд колебаний вихревого возбуждения и исключения недопустимых явлений аэроупругой неустойчивости рекомендуется применение средств гашения колебаний аэродинамического типа, при этом необходимо подтвердить эффективность применяемых средств путем аэродинамических исследований. Рекомендации по применению средств гашения колебаний приведены в приложении Г.

5.15 Физические исследования необходимо проводить согласно требованиям раздела 15.

5.16 При выполнении оценок возможности развития аэроупругих явлений, а также аэродинамических исследований мостовых сооружений следует учитывать:

- расположение автомобильного или железнодорожного транспорта на наветренном ПС при проверке подветренного ПС на бафтинг согласно требованиям раздела 12. Допускается не учитывать негативные аэроупругие явления, возникающие при загружении транспортными колоннами при скоростях ветра 25 м/с и более;

- ситуацию возможного образования снеговых заносов на внешних барьерных ограждениях;

- экранный эффект при y/H менее 2,5, где y - расстояние от нижней поверхности балки жесткости до уровня земли или проектного уровня воды, H - характерная высота балки жесткости, определяемая в соответствии с приложением А;

- наличие шумозащитных и грязезащитных экранов;

- сложный рельеф местности в створе мостового перехода с учетом генеральных планов развития территорий;

- обледенение гибких канатных элементов, приводящее к изменению формы сечений и характеристик обтекания.

5.17 В обоснованных случаях допускается учитывать колонны автотранспорта на исследуемом ПС. Рекомендуемые схемы транспортных средств и их расположения приведены в приложении Д.

5.18 Оболочки вант должны иметь защиту от дожде-ветровой вибрации.

5.19 В случае применения шумозащитных и грязезащитных экранов, а также средств гашения колебаний аэродинамического типа, приведенных в приложении Г, следует выполнить расчет данных конструкций на пиковую ветровую нагрузку по СП 20.13330.2016.

5.20 Общая схема проверки аэроупругой устойчивости различных типов мостовых сооружений, включая основные критерии, виды аэроупругой неустойчивости и способы их оценки, приведена в приложении Е.

6 Параметры ветрового воздействия

6.3 Для мостовых сооружений период повторяемости расчетной скорости ветра для стадии эксплуатации следует принимать равным сроку службы сооружения. Расчетную скорость ветра для стадии монтажа следует принимать равной нормативной скорости ветра.

Расчетную скорость ветра для стадии эксплуатации, соответствующую расчетному сроку службы мостового сооружения, равному 100 лет, вычисляют по формуле

Расчетная скорость ветра для иных значений расчетного срока службы определяется по приложению Ж.

6.4 При проведении аэродинамических исследований следует учитывать возможность отклонения угла атаки ветрового потока от нулевого значения относительно сооружения. Рекомендуется учитывать диапазон углов атаки от минус 5° до плюс 5°.

6.6 В настоящем стандарте применяют правила знаков и системы координат для аэродинамических сил, приведенные на рисунке 2.

Рисунок 2 - Правило знаков и система координат

7 Расчеты по предельным состояниям

7.1 При воздействии аэроупругих колебаний с ограниченной амплитудой в заданном диапазоне скоростей ветра (вихревое возбуждение, бафтинг, галопирование) конструкцию мостового сооружения следует проверять по предельным состояниям первой и второй групп. Перечисленные аэроупругие явления допускается учитывать в виде сил инерции, вызванных колебаниями по 7.10.

7.2 При проверках по предельным состояниям первой группы для сооружений на стадии эксплуатации следует использовать параметры аэроупругих явлений, полученные в ламинарном режиме.

7.3 Расчетные усилия в элементах конструкции при выполнении проверок по прочности и устойчивости следует определять от сочетаний нагрузок, включающих:

- постоянную нагрузку;

- основную ветровую нагрузку (статическую и пульсационную по СП 35.13330.2011 или СП 20.13330.2016);

- инерционную нагрузку, вызванную аэроупругими колебаниями.

При этом следует учитывать коэффициенты сочетания, указанные в таблице 1. Коэффициенты надежности и динамики к постоянной и подвижной нагрузкам принимают по СП 35.13330.2011, к основной ветровой нагрузке, приведенной в приложении Ж, к инерционной нагрузке от аэроупругих колебаний - по 7.10.

Таблица 1 - Таблица сочетаний нагрузок

7.4 Проверку выносливости главных балок, арок и пилонов ПС от действия аэроупругих явлений допускается не выполнять.

7.5 Коэффициент надежности к инерционной нагрузке от аэроупругих колебаний принимают равным 1,0.

При проверке прочности и устойчивости на стадии монтажа коэффициент надежности для всех нагрузок, входящих в сочетания по 7.4, следует принимать равным 1,0.

7.6 Возникновение аэроупругих колебаний, вызванных снеговыми заносами на барьерных ограждениях, следует рассматривать как аварийное особое сочетание нагрузок. При этом конструкция должна удовлетворять только требованиям прочности и устойчивости.

7.7 При проверке с учетом нагрузки от аэроупругих явлений ограниченное развитие пластических деформаций не допускается.

7.9 Отдельные гибкие элементы решетчатых конструкций по 5.4 следует проверять только по первому предельному состоянию по выносливости на действие вихревого возбуждения согласно положениям раздела 8. Допускается выполнять проверку путем учета добавки к расчетным напряжениям по выносливости, равной 100 МПа.

8 Оценка возможности возникновения вихревого возбуждения и определение его параметров

8.1 Критерием обеспечения аэроупругой устойчивости при вихревом возбуждении является условие

Рисунок 3 - Зависимость числа Струхаля от B/H

8.3 При невыполнении критерия, указанного в 8.1, необходимо либо изменить параметры конструкции, либо провести определение амплитуд колебаний и ускорений и выполнить проверки по предельным состояниям согласно разделу 7.

8.4 Определение амплитуд колебаний вихревого возбуждения возможно следующими способами:

- на основе проведенных аэродинамических исследований;

- по методикам, приведенным в приложениях Б и В.

9 Оценка возможности возникновения галопирования

При отрицательном значении числа Ден-Гартога необходимо выполнить условие:

б) по формуле

Число Ден-Гартога допускается определять экспериментально при физических исследованиях секционной геометрически-подобной модели в аэродинамической трубе на аэродинамических весах или путем численных исследований.

Для мостовых сооружений, состоящих из одной, двух, трех или четырех балок прямоугольной или трапециевидной формы сечения, значения чисел Ден-Гартога приведены в [1].

10 Оценка возможности возникновения срывного флаттера

10.1 Срывной флаттер принципиально недопустим.

10.2 Возникновение срывного флаттера обусловлено нулевым суммарным демпфированием для рассматриваемой крутильной формы колебаний. Критерием невозможности возникновения срывного флаттера является условие

11 Оценка возможности возникновения изгибно-крутильного флаттера

11.1 Изгибно-крутильный флаттер принципиально недопустим.

11.2 Критерием невозможности возникновения изгибно-крутильного флаттера является условие

11.3 Для балочных, рамных мостов и консолей на монтаже условие (14) считается выполненным при выполнении условия

12 Оценка возможности возникновения бафтинга

Рисунок 4 - Схемы наветренного железнодорожного ПС

12.2 При невыполнении условия по 12.1 необходимо проводить аэродинамические исследования. При выполнении аэродинамических исследований следует учитывать наличие автомобильного и/или железнодорожного транспорта на сооружении, со стороны которого дует ветер.

12.3 Рекомендуемые схемы расположения колонн автотранспорта при исследовании бафтинга следует принимать по приложению Д.

13 Учет демпфирования

13.1 В общем случае суммарное демпфирование конструкции при исследовании аэроупругой устойчивости конструкции в потоке ветра определяется выражением

Таблица 2

14 Динамические параметры конструкции

Рисунок 5 - Схема определения эквивалентной массы консольного стержня

15 Требования к проведению физических испытаний в АДТ

15.1 Физические эксперименты в аэродинамических трубах проводят с целью исследования аэродинамических характеристик и явлений аэроупругой неустойчивости мостовых сооружений, а также их отдельных элементов. Для проведения физических экспериментов используются секционные геометрически-подобные модели, секционные динамически-подобные модели, а также полные динамически-подобные модели.

15.2 Для обеспечения динамического подобия в экспериментах в зависимости от типа модели и эксперимента необходимо соблюдение критериев подобия по следующим определяющим числам подобия:

15.4 Секционная модель

15.4.3 Секционную модель необходимо выполнять в масштабе не менее 1:75, при этом отношение длины модели к ее ширине не должно быть меньше четырех. Степень загромождения поперечного сечения рабочей части моделью и системой подвесок не должна превышать 10%. Отступления от данных требований должны сопровождаться соответствующими обоснованиями, в том числе проверкой наличия автомодельности при обтекании.

15.4.4 Собственная частота секционной модели как тела на жестких опорах должна превышать частоту колебаний секционной модели на упругих подвесах испытательного стенда не менее чем в два раза.

15.4.7 При проведении исследований на секционных динамически-подобных моделях рекомендуется учитывать зависимость аэродинамических характеристик и диссипативных свойств от режима колебаний.

15.5 Полная динамически-подобная модель

15.5.2 Полная динамически-подобная модель должна быть выполнена в масштабе не менее 1:150. Отношение максимального размера (длины/высоты) полной динамически-подобной модели к соответствующему размеру (ширине/высоте) рабочей части аэродинамической трубы не должно превышать 0,85. Степень загромождения поперечного сечения рабочей части моделью не должна превышать 10%. Отступления от данных требований должно сопровождаться соответствующими обоснованиями, в том числе проверкой наличия автомодельности при обтекании потоком.

15.5.3 Исследования мостов, приведенных в 5.4 (кроме балочных на стадии монтажа и эксплуатации), на полной динамически-подобной модели должны проводиться для минимального набора углов скольжения, соответствующих направлению ветра вдоль моста и перпендикулярно к оси моста с учетом симметрии. Дополнительно рекомендуется проводить испытания для двух и более промежуточных углов скольжения при сложной форме пилонов вантовых и висячих мостов.

15.5.7 Проведение исследований на полной динамически-подобной модели рекомендуется проводить в ландшафтных аэродинамических трубах.

15.5.8 При наличии сложного окружающего рельефа (горные ущелья, холмы и т.д.) вблизи места строительства моста либо развитой городской застройки рекомендуется при проведении исследований воспроизвести отдельные части окружающего рельефа и застройки в виде геометрически подобных моделей.

15.9 Перед началом проведения испытаний модели после ее установки на стенд или изменения ее конфигурации следует выполнить контрольное измерение частоты собственных колебаний и ЛДК модели, который следует определять при амплитудах, соответствующих максимальным амплитудам аэроупругих колебаний.

15.10 Меры по недопущению разрушения модели и подвески обеспечиваются ведущим по испытаниям.

15.11 Аэродинамические трубы для проведения физических испытаний должны быть аттестованы. Средства измерения должны иметь метрологические свидетельства о поверке.

Приложение А

(обязательное)

Параметры сечения балки жесткости

Рисунок А.1 - Параметры сечения балки жесткости

Приложение Б

(рекомендуемое)

Методика определения амплитуд при вихревом возбуждении

Б.1 Область применения

Б.2 Упрощенная методика определения амплитуд колебаний

- аэродинамическая нагрузка постоянна по длине пролета;

Б.2.4 При невыполнении проверок по предельным состояниям согласно разделу 7 при полученном значении амплитуды расчет следует продолжить по полной методике данного приложения.

Б.3 Общие положения

Б.3.2 Как правило расчеты проводят для первой формы или для нескольких первых форм колебаний.

Б.3.3 Если поперечное сечение состоит из нескольких балок, то следует учитывать возможность образования нескольких областей скоростей ветра, опасных для вихревого возбуждения.

ЛДК при проведении экспериментов должен целенаправленно изменяться от минимально достижимого значения 0,005...0,01 до 0,05...0,1.

Типовые схемы ПС с несколькими пролетами приведены на рисунке Б.1.

собственные формы вертикальных колебаний:

а - по 1-й частоте; б - по 2-й частоте; в - ПС с консольной частью

Рисунок Б.1 - Расчетные схемы балочных ПС для определения амплитуд колебаний

Для ускоренной предварительной оценки амплитуды колебаний многопролетного ПС рекомендуется рассчитать вначале только один пролет максимальной длины.

Б.4 Определение амплитуды колебаний

В первом приближении коэффициент принимают по таблице Б.1.

Таблица Б.1 - Значения коэффициента в частных случаях

В первом приближении коэффициент с принимают по таблице Б.2.

Решетчатый аванбек, а также аванбек со сплошной стенкой, перфорированной отверстиями при коэффициенте сплошности 0,85 и менее, не считаются участками, возбуждающими колебания. При наличии на консоли аванбека со сплошной стенкой переменной высоты при отсутствии перфораций или при коэффициенте сплошности более 0,85 следует выполнять физические аэродинамические исследования.

Таблица Б.3 - Зависимости для некоторых поперечных сечений при нулевом угле атаки

- 1800 для многопролетного ПС в проектном положении;

- 1300 для ПС с консолью на стадии монтажа.

Рисунок Б.2 - Влияние демпфирования на амплитудно-скоростную характеристику модели

Рисунок Б.3 - Графическое отображение количества корней уравнения (Б.3)

Приложение В

(рекомендуемое)

Упрощенная методика определения амплитуд при вихревом возбуждении

В.1 Методика основана на следующих допущениях:

- аэродинамическая нагрузка распределена по длине пролета пропорционально форме колебаний;

В.3 Амплитуду колебаний следует определять как перемещения, вызванные инерционной нагрузкой, в соответствии с В.2.

В.4 Для консоли, образующейся при навесной сборке или продольной надвижке и имеющей участки различного сечения, следует рассмотреть возможность вихревого возбуждения для каждого из участков.

Амплитуду колебаний консоли следует определять по результатам динамического расчета на воздействие аэродинамических сил, распределенных по длине соответствующего участка. Интенсивность аэродинамических сил вычисляют по формуле

Расчет следует выполнять до достижения установившихся резонансных колебаний.

Для консолей без аванбека, имеющих на конце участок без плит, амплитуду колебаний, возбуждаемых этим участком, допускается вычислять по приближенной формуле

При отсутствии экспериментальных данных, для учета влияния индивидуальных особенностей аэродинамического профиля поперечного сечения, допускается число Струхаля для определения амплитуды и инерционной нагрузки принимать равным 0,85 от значения, определяемого по рисунку 3.

Для участков консоли с убранными плитами или аванбека с балками со сплошной стенкой при отсутствии экспериментальных данных допускается приближенно принимать Sh равным 0,15.

Приложение Г

(справочное)

Рекомендации по подбору средств гашения колебаний

Г.1 Общие положения, способы гашения колебаний

Г.1.1 В настоящем разделе приведены основные принципы и классификация способов гашения аэроупругих колебаний ПС мостов в ветровом потоке на стадиях эксплуатации и монтажа.

Г.1.2 Применение средств гашения колебаний позволяет существенно снизить амплитуды колебаний либо полностью исключить возможность развития негативных аэроупругих явлений.

Г.1.3 Гашение колебаний мостовых конструкций обеспечивается следующими способами:

а) аэродинамическими;

б) механическими:

1) конструкционными;

2) конструктивными;

3) динамическими;

в) комбинированными (аэродинамическими и механическими).

Г.1.4 При выборе средств гашения колебаний рекомендуется использовать аэродинамические способы. В исключительных случаях допускается применение механических способов, при этом следует обеспечить надежность применяемых механических устройств в течение всего срока эксплуатации мостового сооружения и регулярный эксплуатационный контроль их состояния.

Г.2 Аэродинамическое гашение колебаний

Г.2.1 Аэродинамическое гашение колебаний заключается в изменении характера обтекания сооружений или их отдельных элементов ветровым потоком.

Г.2.2 Один из основных принципов аэродинамического гашения - формирование такой структуры потока, при которой будет исключено или значительно ослаблено периодическое вихреобразование, т.е. будет размыт четкий пик на спектре пульсаций давления в окрестности тела, снижена корреляция пульсаций аэродинамической силы по длине строения, устранена возможность существования многовариантности структур течения. Для этого необходимо двухмерную вихревую пелену за плохообтекаемым телом превратить в трехмерную структуру.

Г.2.3 Рекомендуется:

- придавать поперечным сечениям конструктивных элементов мостов (ПС, пилоны и т.д.) удобообтекаемые формы;

- для балок жесткости ПС применять законцовки сечения специальных форм (обтекатели), дефлекторы в нижней части, устанавливаемые с разрывами (см. рисунок Г.1);

- в качестве несущих балок (ферм) использовать конструкции с решетчатыми (перфорированными) стенками;

Рисунок Г.1 - Схема поперечного сечения моста с законцовками (обтекателями) и дефлекторами

Г.2.4 В качестве перильного и барьерного ограждений для стадии эксплуатации возможно применение перфорированных щитов, перил или элементов малых форм, сплошных щитов с разрывами. Окончательный подбор проницаемости и прочих геометрических параметров аэродинамических гасителей и подтверждение их эффективности должны проводиться в процессе физических исследований в аэродинамических трубах.

Г.2.5 Аэродинамические устройства для гашения колебаний должны удовлетворять следующим требованиям:

- обеспечение высокой эффективности во всем диапазоне возможных скоростей ветра;

- сохранение виброгасящих свойств при любых направлениях ветра, т.е. симметричное расположение устройств для гашения относительно продольной оси ПС;

- незначительное увеличение лобового сопротивления конструкции для исключения возникновения колебаний в горизонтальной плоскости;

- отсутствие статической составляющей подъемной силы при нулевом угле атаки для исключения вертикальных колебаний конструкции от горизонтальных порывов ветра;

- сами устройства не должны быть подвержены заметным аэроупругим колебаниям;

- минимально возможные габариты и вес устройств;

- устройства не должны быть причиной снегонакопления;

- устройства не должны затруднять процесс монтажа;

- желательно, чтобы шаг размещения устройств подлине строения был согласован с шагом силовых элементов для унификации узлов крепления;

- технологичность при изготовлении и монтаже устройств.

Г.2.6 Для балочных мостов высокую эффективность гашения колебаний, особенно на стадии монтажа, показывают щитки, дефлекторы и интерцепторы (см. рисунок Г.2). Данные устройства допускается использовать по отдельности или совместно друг с другом или с обтекателями.

1 - щиток;

2 - дефлектор; 3 - интерцептор

Рисунок Г.2 - Аэродинамические устройства гашения колебаний для стадии монтажа (ПС без ортотропных плит)

Г.2.7 Для каждой разновидности аэродинамических гасителей колебаний существует широкий диапазон геометрических параметров, таких как ширина устройства и зубцов, высота устройства и зубцов, угол наклона, превышение над поверхностью балки и т.п.

Г.2.8 Виды механических способов гашения колебаний:

- к конструкционному демпфированию относится установка демпфирующих устройств в опорных узлах и опорных частях, использование вибропоглощающих покрытий и сплавов с повышенными демпфирующими свойствами;

- конструктивные способы гашения колебаний включают изменение расчетной схемы конструкции, установку дополнительных опорных точек или оттяжек, изменение изгибной или крутильной жесткости демпфируемой конструкции;

- динамическое гашение колебаний заключается в присоединении к основной колеблющейся массе дополнительной массы, составляющей незначительную долю основной.

Г.2.9 Динамические методы демпфирования колебаний могут осуществляться с помощью настраиваемых масс (TMD) (см. рисунки Г.3, Г.4), жидкостных демпферов (TLD) и вязко-упругих демпферов. Параметры гасителей должны настраиваться под конкретное сооружение.

1 - пружина; 2 - масса; 3 - демпфер

Рисунок Г.3 - Динамический гаситель колебаний (TMD - демпфер)

1 - ванта;

2 - гибкий стержень (трос) с грузами на концах

Рисунок Г.4 - Конструкция динамического гасителя колебаний типа Stockbridge damper

Приложение Д

(рекомендуемое)

Схемы расположения транспорта на пролетном строении

Д.1 В настоящем приложении приведены рекомендуемые к учету при аэродинамических исследованиях схемы расположения транспортных средств на ПС.

Д.2 Наиболее неблагоприятное положение транспортных средств сточки зрения риска возникновения явления галопирования приведено на рисунке Д.1.

1 - колонна, составленная преимущественно из грузовых транспортных средств

Рисунок Д.1 - Расчетное расположение транспорта с наветренной стороны для исследования галопирования

Д.3 Наиболее неблагоприятное расположение транспортных средств для вихревого возбуждения приведено на рисунке Д.2.

1 - колонна, составленная преимущественно из грузовых транспортных средств

Рисунок Д.2 - Расчетное расположение транспорта с подветренной стороны для исследования вихревого возбуждения

Д.4 Для многополосных мостовых сооружений рекомендуется учитывать колонны легковых транспортных средств, расположенных на внутренних полосах в дополнение к колоннам грузовых транспортных средств на внешних полосах.

Д.5 При аэродинамических исследованиях моделей двух близкорасположенных мостовых сооружений следует учитывать загружение наветренного мостового сооружения (со стороны которого дует ветер) колоннами транспортных средств, расположенных на всех полосах (см. рисунок Д.3). Также рекомендуется учитывать одновременное загружение двух ПС транспортом.

1 - колонна, составленная преимущественно из грузовых транспортных средств; 2 - колонна, составленная преимущественно из легковых транспортных средств

Рисунок Д.3 - Расположение транспорта на двух близко расположенных ПС

Д.6 Схемы расположения транспортных средств в колонне по Д.2, Д.3, Д.5 рекомендуется принимать согласно рисункам Д.4 и Д.5. Допускается принимать колонну транспортных средств, составленную только из грузовых транспортных средств с габаритами, приведенными на рисунке Д.5а.

Рисунок Д.4 - Рекомендуемая схема транспорта в полосе движения

Д.7 При многополосном движении допускается комбинировать колонны, составленные преимущественно или полностью из грузовых транспортных средств, расположенных на крайних полосах, и колонны, составленные преимущественно или полностью из легковых транспортных средств.

Рисунок Д.5 - Рекомендуемые схемы различных видов транспортных средств

Приложение Е

(справочное)

Общая схема требований к исследованию аэроупругой устойчивости мостовых сооружений

Физические исследования на динамически подобных моделях проводятся также:

- в случае трехмерного характера обтекания потоком воздуха поперечного сечения исследуемого конструктивного элемента;

- для подтверждения эффективности аэродинамических средств гашения колебаний;

- для параллельных близко расположенных мостовых сооружений (в случае возможности развития бафтинга).

Рисунок Е.1 - Общая схема требований к исследованию аэроупругой устойчивости мостовых сооружений

Приложение Ж

(справочное)

Параметры ветрового потока

Ж.3 Базовую скорость ветра допускается определять на основании данных метеорологических изысканий. В случае, когда скорости ветра по данным метеорологических изысканий представлены для периода повторяемости 50 лет, базовую скорость ветра следует вычислять по формуле

Ж.6 Коэффициенты профиля скорости рассчитывают согласно степенному закону изменения скорости по высоте по формуле

Библиография