Мосты разрушенные ветром

Наиболее известна катастрофа Такомского моста (рис. 13.10) построенного в 1940 г. через пролив Пюджет Саунд и имевшего на тот период третий по величине центральный пролет в мире.

Рис. 13.10. Крушение Такомского моста

Трехпролетный висячий мост около г. Такома центральным пролетом 855 м был разрушен через четыре месяца после открытия в 1940 г. при относительно небольшой скорости ветра (около 19 м/с) в течение 1 ч. Мост начал раскачиваться под действием горизонтального ветра, постепенно изгибные колебания перешли в изгибно-крутильные (см. рис. 13.11), после чего не выдержали самые слабые элементы – подвески и балка жесткости рухнула.

Рис. 13.11. Схема колебаний балки жесткости Такомского моста

К особенностям конструкции моста можно отнести:

- малая вертикальная жесткость при L=855 м h=2,45 м (h/L = 1/350);

- малая ширина В=11,9 м (В/L=1/72);

- плохо обтекаемая конструкция (см. рис. 13.12);

- недостаточная крутильная жесткость (на мосту были установлены только нижние продольные связи);

- вес моста 8,25 т/м;

- частота свободных вертикальных кососимметричных колебаний w=0,833 сек^-1;

- критическая скорость ветра для данного сооружения 15 м/с.

Мост был реконструирован с использованием старых фундаментов в 1950 г. (см. рис. 13.12 и 13.13).

Рис. 13.12. Общий вид Такомского моста после реконструкции

Рис. 13.13. Схемы сечений балки жесткости Такомского моста

а – до крушения; б – после реконструкции

После реконструкции Такомский мост имеет иные характеристики: балка заменена фермой жесткости высотой 10 м (h/L=1/86) и шириной В=18,3 м (В/L=1/47) см. рис. 13.13 и 13.14. Диаметр каждого из двух несущих кабелей моста 2´50,8 см.

Рис. 13.14. Ферма жесткости Такомского моста

Катастрофа Такомского моста доказала недостаточность проверки конструкций мостов только на прочность, жесткость и динамическую устойчивость, в современной практике мостостроения, проблемы обеспечения аэродинамической устойчивости висячих и вантовых мостов вышли на первый план.

Исследования показали, что аэродинамическая устойчивость зависит:

1. От частоты собственных колебаний (изгибных и крутильных) и их соотношения (важной особенностью автоколебаний является то, что аэродинамические силы действуют с той же частотой, с которой колеблется мост);

2. От аэродинамических характеристик (обтекаемости) конструкций, подвешиваемых к кабелям;

3. От соотношения критической для данного моста скорости ветра и максимально возможной скорости ветра в районе строительства.

В настоящее время выработаны различные приближенные критерии оценки аэродинамической устойчивости висячих мостов, один из них предложен американским инженером Р.Амманом:

здесь:

m – интенсивность постоянной нагрузки на одну плоскость висячей системы;

f – стрела провисания кабеля;

I – момент инерции балки жесткости;

L – пролет висячей системы.

Еще один критерий приближенной оценки предложен инженером Д.Штейманом:

здесь:

h_б – высота балки (фермы) жесткости;

E – модуль упругости материала балки жесткости;

В – ширина висячей системы.

Представленные выше формулы позволяют предварительно назначить размеры балки (фермы) жесткости, в случае невыполнения условий параметры сооружения следует скорректировать.

Методика проверки аэродинамической устойчивости мостов сводитсяк определению критической скорости ветра для каждого конкретного пролетного строения. (Для некоторых систем висячих мостов определить критическую скорость ветра можно по графику [2] стр. 215).

Критическая скорость ветра V_кр определяется в зависимости от:

– формы и размеров конструкции;

– массы конструкции;

– динамических характеристик балки жесткости;

– климатических условий региона и т.д., причем влияние отдельных факторов в настоящее время оценивается лишь экспериментальным путем или приближенно.

V_кр>>V_р

здесь V_р – расчетная скорость ветра, т.е. максимально возможная, для данного района строительства (обычно V_р=25…35 м/сек.). Считается, что в самую большую бурю скорость ветра не превышает 45 м/сек. Скорость тайфунного ветра достигает 75 м/сек. Самые сильные ветры в нашей стране наблюдаются на побережье Тихого, Ледовитого океанов и на Южном Урале (см. также табл. 13.1).

В приближенных вычислениях ,

здесь:

V_{кр, м} – приведенная критическая скорость полученная при испытании модели;

w_к – частота свободных крутильных колебаний;

В – ширина моста в метрах (подробнее см. [8]).

Критические скорости ветра V_кр, соответствующие появлению ветрового резонанса, находятся в «опасном» диапазоне для висячих и вантовых мостов с пролетами от 100 до 250 м, что связано с закономерностью: V_кр =d/(Sh´Т_верт.).

Критическая скорость ветра – это такая скорость, которая вызывает опасныеколебания конструкций моста, т.е. при которой на данном пролетном строении возникает одно из аэроупругих явлений (флаттер, бафтинг, галопироваиие, дивергенция или ветровой резонанс).

1. Флаттер (изгибно-крутильный или классический) – связанные изгибно-крутильные быстро нарастающие во времени самовозбуждающиеся колебания. Причина в несовпадении точки приложения аэродинамических сил с центром изгиба поперечного сечения балки жесткости моста; срывной флаттер возникает за счет срыва воздушных вихрей. Надежной основой для исследования опасности возникновения флаттера, до сих пор являются лишь эксперименты, чисто аналитических методов не существует.

2. Бафтинг наблюдается у элементов конструкции, находящихся в турбулентном потоке или в следе за другими элементами из-за интерференции аэродинамических сил.

3. Ветровой резонанс – нарастание амплитуд автоколебаний поперек потока воздуха, наблюдаемое при совпадении частоты срыва вихрей Кармана с одной из собственных частот колебаний.

4. Галопирование (раскачивание), которому подвержены плохо обтекаемые гибкие элементы с аэродииамиски неустойчивыми поперечными сечениями (квадратными или прямоугольными). Подобные явления чаще всего возникают у канатов в случае их покрытия льдом. Галопирование опаснее резонанса, так как оно нарастает с увеличением скорости потока даже выше критической, а резонанс возникает только при критической скорости ветра.

5. Параметрический резонанс заключается в перекачке энергии вертикальных колебаний в горизонтальные и наоборот.

6. Дивергенция – потеря устойчивости от крутильных колебаний.