Вантового моста через р. Неву в Санкт-Петербурге)

Вследствие изменения скорости ветра в зоне вихрейменяется давление воздуха. Возникает периодическая сила, действующая на сооружение попеременно с одной и другой стороны. Частота этой силы соответствует частоте срывающихся с конструкции вихрей – частоте срыва вихрей:

n = Sh´V/d;

здесь:

V – скорость ветра;

d – поперечный размер;

Sh – величина, характеризующая форму профиля препятствия – «число Струхаля» («Штроухольса»). В общем случае Sh=0,08…0,22 (в частности для цилиндра Sh=0,2). Для пролетных строений мостов, это число определяется только экспериментальным путем в аэродинамической трубе, так для пролетных строений имеющих острые кромки считается что Sh=0,15…0,18 (см. рис. 13.8).

Рис. 13.8. Формы поперечных сечений балок жесткости и соответствующие им Sh

При произвольном изменении скорости ветра, частота срыва вихрей может совпасть с частотой собственных колебаний сооружения, при этом возникает явление резонанса.

2. Более реальную опасность представляют автоматические колебания – автоколебания висячихмостов.

Если висячая система (под действием каких-либо факторов, см. п. 13.2) раскачалась, то проезжая часть моста будет пересекать струи воздуха, дующего со скоростью V (рис. 13.9).

Рис. 13.9. Схемы возникновения автоколебаний

При этом появляется и непрерывно меняется угол атаки (a) воздушного потока набегающего на проезжую часть (восходящему потоку соответствует +a, нисходящему -a), ввиду чего на сооружение начинает действовать подъемная сила создающая крутящий момент (М=F´В/4).

Составляющая давления по направлению скорости ветра это лобовое сопротивление (по аналогии с авиацией). Составляющая давления перпендикулярная скорости потока – это подъемная сила.

Подъемная сила определяется: F=0,5´C_F´А´r´V²,

здесь:

C_F – безразмерный коэффициент подъемной силы, зависящий от формы поперечного сечения балки жесткости и угла атаки (для цилиндра C_F»1, чем хуже обтекаемость конструкции, тем выше величина C_F). C_F =k´a, где k – коэффициент пропорциональности называемый наклонной кривой подъемной силы, причем опытное значение k близко 5,

А – площадь фасадной поверхности;

r – плотность воздуха (для воздуха стандартной атмосферы, при атмосферном давлении 160 мм рт. ст. и температуре +15°С, коэффициент вязкости равен 1,46´10^-5 м²/с);

V – скорость воздушного потока (ветра).

Если частота действия подъемной силысовпадает с частотой собственных колебаний сооружения, то возникают автоматические колебания конструкции – автоколебания.

Рассмотренные выше явления имеют общее название – изгибно-крутильные колебания моста

В истории мостостроения известно не менее десяти случаев разрушения висячих мостов из-за аэродинамической неустойчивости, см. табл. 13.2.

Таблица 13.2.