ОТРАСЛЕВОЙ ДОРОЖНЫЙ МЕТОДИЧЕСКИЙ ДОКУМЕНТ
ГУ* 7РПСАвтафар
МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ОЦЕНКЕ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СЕЧЕНИИ ПРОЛЕТНЫХ СТРОЕНИЙ МОСТОВ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ДОРОЖНОЕ АГЕНТСТВО (РОСАВТОДОР)
МОСКВА 2014
ОДМ 218 2.040-2014 Предисловие
1 РАЗРАБОТАН НГТУ (Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Новосибирский государственный технический университет»), руководитель разработки д-р техн. наук, профессор С.Д. Саленко, отв. исполнитель к.ф,-м.н., доцент Ю.А. Гостеев, при участии д-ра техн. наук, профессора
A. А. Кураева, к.т.н., доцента А.А. Обуховского, к.т.н., доцента
B. П. Однорала, к.т.н. Ю.В. Телковой.
При разработке Рекомендаций учтены данные исследований ЦНИИСК имени В.А. Кучеренко, ФГУП ЦАГИ имени профессора Н.Е. Жуковского.
2 ВНЕСЕН Управлением строительства и проектирования автомобильных дорог.
3 ИЗДАН на основании распоряжения Федерального дорожного агентства от 24. 03. 2014 г. № 478-р.
4 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ.
5 ИМЕЕТ РЕКОМЕНДАТЕЛЬНЫЙ ХАРАКТЕР.
© Издательство ФГУП «Информавтодор», 2014
И
ОДМ 218.2.040-2014
Содержание
1 Область применения...................................... 4
2 Нормативные ссылки..................................... 4
3 Сокращения............................................. 5
4 Общие положения........................................ 5
5 Классификация воздействий ветра на сооружения............. 7
6 Геометрические параметры сечений........................ 9
7 Аэродинамические характеристики сечений пролетных строений
мостов................................................. 10
8 Порядок оценки аэродинамических характеристик сечений..... 16
9 Примеры использования аэродинамических характеристик
сечений................................................. 20
Приложение А «Сводка аэродинамических характеристик
сечений»................................................ 23
Приложение Б «Распределение давления по сечениям»........ 58
Приложение В «Числа Струхаля сечений»................... 66
Приложение Г «Методическое обоснование»................. 67
Библиография........................................... 84
ill
ОДМ 218 2 040-2014 ОТРАСЛЕВОЙ ДОРОЖНЫЙ МЕТОДИЧЕСКИЙ ДОКУМЕНТ
Методические рекомендации по оценке аэродинамических характеристик сечений пролетных строений мостов
1 Область применения
1.1 Настоящий отраслевой дорожный методический документ (далее - методический документ) содержит рекомендации по оценке аэродинамических характеристик типовых поперечных сечений пролетных строений балочных мостов: коэффициентов лобового сопротивления, подъемной силы и момента (осреднснных по времени), критерия галопирования, числа Струхаля.
1.2 Положения настоящего методического документа предназначены для применения организациями, выполняющими работы в сфере дорожного хозяйства в области проектирования автомобильных дорог и искусственных сооружений на них (мосты, путепроводы и эстакады) с целью обеспечения механической безопасности при воздействии ветра.
Отраслевой дорожный методический документ «Методические рекомендации по оценке аэродинамических характеристик сечений пролетных строений мостов» является актом рекомендательного характера.
2 Нормативные ссылки
В настоящих Рекомендациях использованы ссылки на следующие документы:
ГОСТ Р 54257-2010. Национальный стандарт Российской Федерации. Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения и требования - Введ. 23-12-2010. -М:
Стандартен форм, 2011. -18 с.
СНиП 2.01.07-85*. Нагрузки и воздействия. - М.: Госстрой СССР,
4
ОДМ 218 2 040-2014
1986. - 32 с. (актуализированная редакция в виде СП 20.13330.2011).
СНиП 2.05.03-84*. Мосты и трубы. - М.: ГП ЦПП, 1996. - 214 с. (актуализированная редакция в виде СП 35.13330.2011).
ОДМ 218.1.001-2010 «Рекомендации по разработке и применению документов технического регулирования в сфере дорожного хозяйства»
ОДМ 218.1.002-2010 «Рекомендации по организации проведения работ по стандартизации в дорожном хозяйстве»
3 Сокращения
В настоящем методическом документе применены следующие сокращения:
СНиП: Строительные нормы и правила.
ОКС: Общероссийский классификатор стандартов.
ЦС: Центр сечения.
ЦЖ: Центр жесткости сечения.
4 Общие положения
Строительство современных мостов с длинными пролетами требует особого внимания к ветровым нагрузкам и аэроупругим колебаниям пролетных строений. Примерами могут служить разрушение Такомского моста в 1940 г., колебания пролетного строения в Барнауле в 1993 г., разрушение авангардной части строения на стадии надвижки под Витебском в 2006 г., инцидент с колебаниями пролетного строения моста в Волгограде в 2010 г.
Новая редакция Национального стандарта «Надежность строительных конструкций и оснований», отмечает необходимость учета не только ветровых нагрузок, но и аэроупругих эффектов при взаимодействии ветра с гибкими сооружениями.
Значительно больше внимания уделено ветровым нагрузкам в актуализирован них редакциях СНиП «Нагрузки и воздействия» [1] и «Мосты и трубы» [2].
5
ОДМ 218.2.040-2014 Так, СНиП «Мосты и трубы» устанавливает обязательность проверки на аэродинамическую устойчивость висячих и вантовых мостов, а также стальных балочных мостов с пролетами более 100 м. Но в то же время информации для расчета ветровых нагрузок на пролетные строения мостов в указанных нормативных документах явно недостаточно (в СНиП «Нагрузки и воздействия» аэродинамические коэффициенты для типовых сечений мостов отсутствуют, данные по числу Струхаля приведены только для одиночных прямоугольных поперечных сечений; в СНиП «Мосты и трубы» в приложении Н даны значения только коэффициента лобового сопротивления для частей и элементов пролетных строений мостов, причем без учета особенностей формы элементов).
Большое внимание ветровым воздействиям уделяется в зарубежных нормативных документах [3,4, 5,6J.
Для достоверных расчетов ветровых нагрузок и предотвращения аэроупругих колебаний пролетных строений необходимы данные по аэродинамическим характеристикам как конкретных проектируемых мостов, так и типовых сечений пролетных строений.
В настоящем методическом документе приводятся рекомендации по оценке основных аэродинамических характеристик типовых поперечных сечений пролетных строений балочных мостов -коэффициентов лобового сопротивления, подъемной силы и момента, параметра галопирования. В качестве типовых выбраны поперечные сечения одно- и многобалочных пролетных строений, отражающие обводы реальных длинопролетных балочных мостовых сооружений на стадиях возведения и эксплуатации, а также рекомендованные ведущими мостостроительными организациями. Аэродинамические характеристики приводятся для неподвижных строений при наличии и отсутствии плит перекрытия, ограждений, автотранспортных средств. Для некоторых наиболее практически важных конфшураций приведены
6
ОДМ 218.2.040-2014 распределение давления по поверхности строения и числа Струхаля.
Аэродинамические характеристики были получены как экспериментально при продувке моделей мостов в аэродинамической трубе, так и численными расчетами обтекания поперечных сечений.
5 Классификация воздействии ветра на сооружения
Нагрузки и воздействия, возникающие при взаимодействии ветра со строительными конструкциями, по своей природе можно разделить на два основных типа: воздействия, связанные с непосредственным действием на здания и сооружения максимальных ветров, и воздействия, вызывающие интенсивные аэроупругие колебания [ 1... 19].
Воздействия первого типа называются ветровой нагрузкой. Согласно СНиП «Нагрузки и воздействия» [I] ветровая нагрузка определяется как сумма средней и пульсационной составляющих. При расчете средней составляющей ветровой нагрузки необходимо знать аэродинамические коэффициенты сооружения. При расчете пульсационной составляющей ветровой нагрузки необходимо решать задачу динамической реакции сооружения на действие ветра [1,9, 11, 12, 16]. При воздействии расчетной ветровой нагрузки должны быть обеспечены прочность сооружения, отсутствие дн вер ген кин (статической формы потери аэроупругой устойчивости) и выполнено ограничение по предельным прогибам и перемещениям конструкции [11,21,22].
К воздействиям второго типа относятся:
- резонансное вихревое возбуждение колебаний (ветровой резонанс) - интенсивные колебания сооружения поперек потока в узком диапазоне скоростей ветра, возникающие при совпадении одной из собственных частот колебаний сооружения с частотой схода вихрей дорожки Кармана [7, 8, 11, 13, 23]; для многобалочных пролетных строений, в отличие от одиночных балок, существуют две или три
7
ОДМ 218.2.040-2014
резонансных скорости ветра, при которых наблюдаются интенсивные колебания сооружения поперек потока [18, 19,20];
- галопирование - одна из форм аэроупругой неустойчивости сооружений; связано с дестабилизирующей способностью подъемной силы; возможно, если параметр галопирования отрицателен (критерий Ден-Гартога); колебания такого типа возникают в плоскости, перпендикулярной направлению потока, при скоростях ветра выше критической, амплитуда колебаний при этом монотонно увеличивается с ростом скорости набегающего потока [7, 8, 11,23, 24, 25].
- флаггер - является одним из наиболее опасных видов
неустойчивости пролетных строений; флаттер опасен тем, что может привести к полному разрушению конструкции вследствие
неограниченного возрастания амплитуд колебаний. Классический флаттер связан с изгибно-крутильными нарастающими во времени самовозбуждающимися колебаниями, вызванными несовпадением точки приложения аэродинамических сил с центром изгиба поперечного сечения балки жесткости моста [7, 11, 21, 22]. Срывной флаттер, связанный с сильными аэродинамическими нелинейностями, гистерезисом при срыве потока, характеризуется аэроупругими автоколебаниями преимущественно крутильного типа [7, 11,23].
- бафтннг - нерегулярные вынужденные колебания сооружений или их отдельных частей под действием срывных течений, порожденных обтеканием самой конструкции, либо расположенных рядом сооружений; интенсивность бафтинга возрастает, если собственная частота колебаний конструкции совпадает с частотой, соответствующей максимуму на спектре пульсаций скорости, а также если возбудитель сам совершает колебания в потоке [7, 11, 13, 25],
- колебания, порожденные аэродинамической интерференцией близкорасположенных сооружений или их частей (специфические формы резонансного вихревого возбуждения многобалочных строений)
8
ОДМ 218.2.040-2014
[18, 19, 20].
6 Геометрические параметры сечении
Геометрия поперечных сечений задается следующими размерами (рисунок 1): Н и В - габаритные высота (без учета ограждений) и ширина сечения; Вк - ширина балки; 1Л - межбалочное расстояние; Lb
- длина ребра; S - длина карниза; Нл и Нй - полная высота и высота щита ограждений.
в
I D D 1ЫГ
Схема размещения автотранспортных средств на проезжей части приведена на рисунке 2. Здесь Н4 - габаритная высота транспортного потока.
|
-Г" |
_ г_ |
|
|
1 1 |
|
|
]__ , I |
э [ f |
|
-1-<37— |
^ У1 W1 |
Рисунок 2 - Схема размещения автотранспортных средств на проезжей части.
ОДМ 218 2.040-2014
Определяющими геометрическими параметрами сечения являются относительные размеры: ширина сечения И/Н, ширина балки Вк/Н, межбалочное расстояние 1Л/Н, высота ограждений //.///, высота автотранспорта Иь/ Н.
7 Аэродинамические характеристики сечении пролетных
строений мостов
В общем случае при действии ветра на сооружение ветровую нагрузку можно представить в виде трех проекций результирующей аэродинамической силы и трех проекций момента на выбранные оси координат.
В случае сечения пролетного строения моста имеем двухмерный случай (результирующая аэродинамическая сила лежит в плоскости, перпендикулярной продольной оси строения) и, соответственно, рассматриваются только две проекции результирующей силы (в скоростной системе координат это сила лобового сопротивления Ха и подъемная сила Кя, а в связанной системе координат - продольная и нормальная силы X и У) и продольный момент М (рисунок 3). За точку, относительно которой определяется момент, принимается геометрический центр поперечного сечения (ЦС).
Аэродинамические коэффициенты сечений в данных рекомендациях определяются следующим образом:
10
