Влияние вихревых сбрасываний на стабильность моста и дизайн

Феномен вихревого сбрасывания и его значение для дизайна моста

Вихревое сбрасывание — явление взаимодействия флюидной структуры, которое возникает, когда ветер протекает мимо блефового тела, такого как мостовая башня, пилон или край палубы.По мере того, как воздушные потоки вокруг структуры, пограничные слои разделяются и скатываются в чередующиеся вихри на подветренной стороне, образуя то, что известно как улица вихря фон Кармана, эти вихри создают колебательные силы подъема и сопротивления, перпендикулярные направлению ветра.Если частота этих сил выравнивается с естественной частотой структуры, может развиться резонанс, приводящий к большим амплитудным колебаниям. Для длиннопролетных мостов, которые по своей природе гибки и слегка затухают, вихревое сбрасывание представляет значительную угрозу стабильности, исправности и усталостному образу жизни.Понимание и смягчение этого аэродинамического эффекта, следовательно, является основной ответственностью современной мостовой инженерии.

Исторические неудачи, которые сформировали современное понимание

Мост Такомы Нэрроуз рухнул

Самым печально известным примером ветрового разрушения моста является обрушение моста Такома Нэрроуз в штате Вашингтон в 1940 году. Хотя часто неправильно характеризуемый как чистый вихревой поток, неудача на самом деле была вызвана аэроупругим трепетом, более сложным взаимодействием, которое включало торсионную нестабильность. Однако событие резко продемонстрировало опасности недостаточной аэродинамической осведомленности. У стройной, плоской балки моста было блефное сечение, которое способствовало образованию вихря и позволяло вертикальным колебаниям в сочетании с торсиональными режимами. Обвал стимулировал фундаментальные исследования аэродинамики моста, что привело к принятию тестирования аэродинамической трубы в качестве стандартного шага проектирования. Сегодня провал Такома Нэрроуз остается предостерегающей историей об игнорировании тонких сил ветра.

Другие известные инциденты

Вихревое сбрасывание было вовлечено в несколько других инцидентов с мостом. Брайтонский Цепной пирс в Англии испытал колебания и частичный коллапс в 1836 году из-за эффектов ветра, задолго до того, как были поняты механики. Совсем недавно Лондонский мост тысячелетия (2000) пострадал от бокового скачка, вызванного пешеходами, но его конструкция также считала вихревое сбрасывание с краев палубы во время сильных ветров. Волгоградский мост в России (2010) продемонстрировал большие торсионные вибрации, приписываемые вихревому сбрасыванию при умеренных скоростях ветра, что привело к аварийным закрытиям и модернизации. Эти случаи подчеркивают, что вихревое сбрасывание остается живой проблемой, особенно по мере того, как мосты становятся длиннее и легче.

Физика за спиной Вихревого сбрасывания

Формирование улицы фон Карман Вортекс

Когда воздух проходит мимо нестримлированного объекта при умеренных числах Рейнольдса (обычно между 102 и 105), пограничный слой попеременно отделяется от противоположных сторон тела. Это чередующееся разделение создает поперечный паттерн вихрей вниз по течению, известный как улица вихря фон Кармана, создавая перепад давления по всему телу, генерируя флуктуирующую силу подъема, перпендикулярную потоку. Частота пролития, f , регулируется числом Strouhal St fD U , где D U U U U UU для круговых цилиндров, St [[FLT

Три безразмерных числа доминируют вихревым поведением.РейнольдсReUDν, линька является регулярной и периодической.Высокая ReСтруктовое числоСтройхал определяет частоту линьки для данной геометрии и состояния потока.UD

Условия блокировки и резонанса

Запирание происходит, когда частота вихревого сбрасывания приближается к естественной частоте вибрационного режима. В этот момент движение конструкции подпитывает поток, синхронизируя процесс сбрасывания. Амплитуда вибрации быстро растет, часто ограничивается только нелинейным аэродинамическим демпфированием или структурными ограничениями. Для мостов запирание обычно возбуждает режимы вертикального изгиба, но также могут быть затронуты торсионные и боковые режимы. Риск наиболее высок для первых нескольких режимов, поскольку они имеют самые низкие частоты и наиболее легко сочетаются со скоростью ветра в пределах проектного диапазона. Инженеры должны обеспечить, чтобы критическая скорость ветра для запирания была либо выше скорости ветра конструкции, либо чтобы обеспечивалось достаточное демпфирование для поддержания амплитуды в приемлемых пределах.

Как вихревая сбрасывание угрожает целостности моста

Вертикальные и торсиональные колебания

Вихревое сбрасывание в первую очередь вызывает вертикальные колебания, перпендикулярные направлению ветра, так как переменные силы подъема толкают и тянут конструкцию. Для мостовых палуб эти вертикальные движения могут быть неудобными для пользователей и, если они достаточно велики, вызывать усталостные повреждения. Более опасными являются кручальные колебания, когда палуба скручивается вокруг своей продольной оси. Торсиональные режимы возбуждаются, когда эквивалентное воздействие с вихревой улицы асимметрично по ширине палубы, часто из-за несимметричных поперечных сечений или внецентрового пробуждения. Торсиональные вибрации могут соединяться с вертикальными режимами, что приводит к неустойчивости трения, которая разрушила мост Такома Нэрроуз. Современная конструкция отдает приоритет аэродинамическому формированию палуб, чтобы минимизировать сцепление и поднять скорость трепета намного выше любого ожидаемого ветра.

Усталость и долгосрочный ущерб

Даже когда вихревая сбрасывание не вызывает немедленного обрушения, повторяющиеся низкоамплитудные вибрации накапливают усталостные повреждения в структурных соединениях, сварных швах и кабелях. За десятилетия это может привести к распространению трещин и преждевременной замене компонентов. Усталость особенно беспокоит кабельно-штампованные и подвесные мосты, где вешалки и торцевые кабели чувствительны к вихревым колебаниям. Феномен «дождево-ветровой индуцированной вибрации» торцевых кабелей частично обусловлен вихревой сбрасыванием в сочетании с образованием водяного ривулета. Регулярный осмотр и использование амортизаторов или аэродинамических рукавов являются распространенными контрмерами.

Экстремальные сценарии: риск коллапса

В крайних случаях либо крупноамплитудное запирание, либо аэроупругий трепет могут вызвать катастрофический сбой. Крах моста Такома Нэрроуз остается самым драматичным, но несколько других мостов были повреждены или закрыты из-за вихревым вибрациям. Риск увеличивается для очень длинных пролетов (1 км и далее), потому что естественные частоты ниже, а коэффициенты демпфирования по своей природе малы. Изменение климата также может изменить характер ветра, потенциально подвергая мосты условиям пролития, не ожидаемым в оригинальных проектах. Инженеры должны поэтому принять консервативные факторы безопасности и включить активные системы мониторинга для обнаружения ранних признаков проблемных колебаний.

Инженерные решения для противодействия вихревому сбрасыванию

Структурная форма и аэродинамика

Наиболее эффективным способом уменьшения вихревого сбрасывания является изменение формы поперечного сечения для задержки разделения потока и ослабления вихрей.Обычные аэродинамические формы включают обтекаемые боковые балки с наклонными краями, обтекатели и направляющие лопасти. Например, мост Большой пояс в Дании использует трапециевидный боковой балочный перемычек с острым задней кромкой для подавления колебаний. Затухание или укорочение углов пилонов и башен снижает когерентность сбрасывания вдоль члена. Добавление спойлеров или пластинок сплиттера на будке также может нарушить формирование вихря. Эти пассивные модификации формы недороги, не требуют обслуживания и образуют первую линию обороны.

Системы демпфирования

Когда аэродинамическое формирование недостаточно, механическое демпфирование добавляется для рассеивания вибрационной энергии. Настроенные массовые демпферы (TMD) состоят из системы пружинной массы, настроенной на естественную частоту целевого режима. Они устанавливаются внутри мостовых палуб или на башнях для поглощения энергии от вихревым движениям. Виадук Миллау использует несколько TMD для управления ветровыми колебаниями. Вязкие демпферы Преобразуют кинетическую энергию в тепло и эффективны в широком диапазоне частот. Трение амортизаторов обеспечивают рассеивание энергии через раздвижные поверхности. Для кабельных мостов масляные амортизаторы или прикреплены к опорным кабелям