Содержание к диссертации
Введение 7
Глава 1 Современное состояние проблемы 8
Глава 2 Разработка и внедрение новых конструктивных 32 решений высотных сооружений аэродинамически неустойчивой формы
Глава 3 Экспериментальные модельные исследования 65
взаимодействия сооружений аэродинамически
неустойчивой формы с воздушным потоком
Определение стационарных аэродинамических 68 характеристик ствола и зданий башни
Определение стационарных аэродинамических 93 характеристик моделей монумента
Влияние числа Рейнольдса на аэродинамические 97 характеристики модели
Влияние угла атаки на аэродинамические 97 характеристики моделей
Влияние барельефов на аэродинамические 100 характеристики модели
Исследование возможности возникновения 100 галопирующих колебаний
Исследование пульсаций давления на моделях 102 отсеков монумента
3.3. Проведение кинематических испытаний моделей ПО
монумента
Исследование аэродинамической неустойчивое- ПО ти модели монумента на установке для угловых колебаний
Исследования влияния сквозных каналов на 115 гашение колебаний модели монумента
4. Исследование моделей дымовых труб РТС 118 «Курьяново» в аэродинамической трубе
Влияние шероховатости и чисел Рейнольдса на 125 аэродинамические характеристики моделей
Влияние расстояния между трубами на их 127 аэродинамические характеристики
Исследование возможности возникновения 128 галопирующих колебаний
Исследование устойчивости моделей на 129 установке для угловых колебаний
Колебания модели одной трубы 130
Колебания модели трубы в следе за 131 неподвижной моделью (асинфазная мода)
Колебания моделей двух труб на одном 133 основании (синфазная мода)
.5. Исследование динамически подобной модели башни 136
.6. Исследование динамически подобной модели Главного 145 монумента
Определение положения оси жесткости 147
Определение жесткости на кручение 147
Определение жесткости на изгиб 149
Экспериментальное определение динамических 150 характеристик
Разработка и внедрение новых конструктивных 178
решений динамических гасителей колебаний и методов
расчета их параметров
Состояние вопроса 178
Разработка и внедрение новых конструкций 188 динамических гасителей колебаний
Разработка методов практического расчета по 195 определению параметров динамического гасителя колебаний, установленного на сооружении, в режимах колебаний сооружения поперек направления ветрового потока типа ветровой резонанс и вдоль потока под действием турбулентных пульсаций скорости ветра
Разработка математической модели 195
Расчет параметров гасителей колебаний 197
Разработка методов расчета по определению 207 параметров гасителей колебаний в виде «перевернутого маятника» и сооружений с гасителем колебаний этого типа в режиме колебаний поперек ветрового потока типа «галопирования»
Обоснование необходимости использования 207 динамического гасителя колебаний типа перевернутого маятника
Вывод уравнения колебаний динамического 209 гасителя колебаний в виде перевернутого маятника
4.4.3 Использование демпфирующих устройств в 217 динамическом гасителе колебаний типа перевернутого маятника
Разработка методов расчета сооружений с гасителем 239 колебаний типа «перевернутого маятника» в режиме колебаний поперек ветрового поток типа «галопирование»
Глава 5 Разработка методики оснащения сооружений 248 динамическими гасителями колебаний
Последовательность проведения работ по оснащению 248 сооружений гасителями колебаний
Анализ результатов натурных испытаний 253 высотных сооружений башенного типа
5.2.1 Определение динамических параметров 253 натурного сооружения методом приложения импульсной нагрузки
Испытания башни высотой 100 м 253
Испытания Главного монумента памятника 257 Победы на Поклонной горе в г. Москве перед сдачей в эксплуатацию (апрель 1995 г.)
Испытания дымовой трубы высотой 90 м в 290 г. Комсомольск-на-Амуре и дымовых труб высотой 123 м РТС «Курьяново»
Определение динамических параметров 308 натурного сооружения методом возбуждения колебаний вибратором
Глава 6 Гашение колебаний сооружений вдоль ветрового 317 потока
Колебания сооружений вдоль ветрового потока от 317 порывов ветра и задача снижения их интенсивности
Пример натурных испытаний решетчатой башни 325 высотой 73 м при гашении ее колебаний вдоль ветрового потока
Глава 7 Разработка методов расчета высоких гибких 334 сооружений на усталостную долговечность
7.1. Разработка методики расчета высоких гибких 334 сооружений на усталостную долговечность с учетом заданной обеспеченности ветрового воздействия
7.2. Исследование усталостной долговечности несущих 341
конструкций башни
7.3. Влияние «работы» гасителей колебаний на 349
к усталостную долговечность и несущую способность
сооружения
Основные выводы 353
Заключение 355
Список литературы 358
Приложение № 1. Методика и программа определения частот и 387
декрементов колебаний высотных
сооружений по форме пиков спектральной
плотности их колебаний, вызванных
воздействием ветра
0, Приложение № 2. Программа расчета пневматического 422
(воздушного) демпфера гасителя колебаний
*
Введение к работе
Современные требования к созданию высотных сооружений из металла могут быть сформулированы, как создание рационального конструктивно-компоновочного решения, отвечающего требованиям технологического задания, обладающего необходимой несущей способностью, устойчивостью, надежностью и долговечностью при обеспечении минимального расхода металла и максимальной экономической эффективности, технологичности и минимальной трудоемкости при изготовлении и монтаже, возможности применения оптимальной системы защиты от коррозии и создания, в необходимых случаях, особого архитектурного облика сооружения.
При этом необходимо учитывать, что для рассматриваемых в данной работе стационарных высотных сооружений доминирующими являются климатические воздействия, а основным фактором процесса создания высотных сооружений, влияющим в значительной степени на разработку конструктивно-компоновочных решений сооружения, кроме технологических требований, является ветровое воздействие, динамическая составляющая которого вызывает колебания сооружений как вдоль, так и поперек ветрового потока.
Более эффективному выполнению приведенных (выделенных курсивом) требований способствует оснащение высотных сооружений гасителями колебаний, а высотные сооружения с аэродинамически неустойчивой внешней формой, вообще, не могут быть реализованы без оснащения их гасителями колебаний.
Использование гасителей колебаний позволяет не только существенно увеличить общую номенклатуру и расширить функциональные особенности проектируемых высотных сооружений, но также дает возможность на стадии эксплуатации изменять технические
8 характеристики сооружений при предъявлении к ним новых требований, которые не были учтены на стадии проектирования.
За вторую половину двадцатого века было построено значительное количество высотных сооружений, нормальная эксплуатация которых была бы невозможна без оснащения их гасителями колебаний.
К таким сооружениям могут быть отнесены радиотелевизионные башни значительной высоты из металла с аэродинамически неустойчивой внешней формой, расположенные, кроме того, в горных районах с высоким скоростным напором ветра и невыгодной орографией (например, на вершине горы). Примером такого сооружения является башня высотой 372 м в г. Алма-Ате на горе Кок-Тюбе, построенная в 1982 г. Металлические дымовые и вытяжные трубы цилиндрической формы в решетчатых каркасах и свободностоящие. А также многообразные памятники, обелиски и стеллы, конструкция которых полностью определяется, как правило, художественным замыслом архитектора. Эти сооружения обладают чаще всего различными видами аэродинамической неустойчивости в ветровом потоке, а их эксплуатация без установки гасителей колебаний, практически, невозможна. Ярким примером такого сооружения является Главный монумент памятника Победы на Поклонной горе в г. Москве высотой 142 м.
Актуальность проблемы непрерывно возрастает в связи с разработкой новых прогрессивных конструктивных решений высоких гибких сооружений, в том числе и аэродинамически неустойчивой формы, использованием нового технологического оборудования (антенн РРЛ), увеличением размеров конструкций, ужесточением санитарных и технологических требований к допустимым уровням колебаний. Недостаточное внимание при проектировании сооружений к обеспечению виброзащиты приводило, как известно, в отдельных случаях к аварийным ситуациям.
9 Так, вследствие возникновения автоколебаний, произошло:
разрушение обелиска высотой 120 м, построенного в память о боях в период Великой Отечественной войны под г. Корсунь-Шевченковским;
выход из строя несущего каркаса меча высотой 28 м -составной части памятника Родина мать высотой около 80 м на Мамаевом Кургане в г. Волгограде;
разрушение двух из четырех поясов несущего каркаса вытяжной трубы высотой 180 м химкомбината в г. Череповце;
многочисленные случаи появления недопустимых, с точки зрения несущей способности, дефектов основных несущих конструкций каркасов дымовых труб высотой 120ч-180 м.
24 марта 1985 г. возникли автоколебания построенного до отметки 104,0 м (до отметки установки основного гасителя колебаний) Главного монумента памятника Победы на Поклонной горе в г. Москве.
Однако своевременным принятием мер монумент удалось вывести из режима автоколебаний без последствий для целостности конструкций.
Данная работа посвящена разработке методов создания (расчетов, конструктивных решений, экспериментальных исследований на моделях и натурных сооружениях) высотных сооружений из металла аэродинамически неустойчивой внешней формы путем оснащения их динамическими гасителями колебаний.
АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Дальнейшему развитию и совершенствованию такой отрасли металлостроительства как создание высотных сооружений в значительной степени может способствовать использование динамических гасителей колебаний, позволяющих увеличивать несущую способность, надежность и долговечность вновь разрабатываемых сооружений, а также снижать их деформативность.
10 Использование гасителей колебаний на уже эксплуатируемых сооружениях создает возможность модернизации технологического оборудования, увеличиваемого в размерах и требующего уменьшения деформативности сооружения, без реконструкции сооружения, а также позволяет снизить уровень динамических напряжений при различных повреждениях элементов конструкций и узлов, обеспечивая тем самым некоторый период времени для принятия мер по их ремонту.
Наконец, существует целый ряд уже построенных сооружений, существование которых невозможно без оснащения их гасителями колебаний.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ: решение комплексной задачи по обеспечению прочности, надежности и усталостной долговечности высотных сооружений аэродинамически неустойчивой формы путем их оснащения динамическими гасителями колебаний, а также разработка расчетно-экспериментальных методик по определению деформативности высотных сооружений при заданной обеспеченности по времени и предельных сроков эксплуатации сооружений по накоплению усталостных повреждений.
Для достижения этой цели:
разработаны и внедрены в практику строительства новые конструктивные решения высотных сооружений башенного типа с аэродинамически неустойчивой внешней формой, оснащенные двухмассовыми динамическими гасителями колебаний в виде «перевернутого маятника»;
разработаны конструктивное решение и методика расчета
двухмассового динамического гасителя колебаний в виде
«перевернутого маятника» с регулируемым демпфированием и парциальной частотой (частота настройки), позволяющей оснащать
гасителями колебаний этой конструкции, практически, все сооружения высотой от 50 м и больше;
разработана конструкция и методика расчета воздушных демпфирующих устройств;
разработана методика расчета высотных сооружений, оснащенных двухмассовым гасителем колебаний, в режимах колебаний вследствие аэродинамической неустойчивости, наиболее характерных для высотных сооружений видов - «ветровой резонанс» и «галопирование»;
разработана методика, реализованная в виде блока компьютерной программы «Селена», подбора и оптимизации параметров маятникового гасителя колебаний с учетом динамических характеристик сооружения при его колебаниях вдоль и поперек ветрового потока;
- разработаны методические положения и внедрено в практику
строительства высотных сооружений башенного типа применение
гасителей колебаний с целью уменьшения динамической реакции
сооружения при воздействии на сооружение пульсаций скорости ветра;
- проведен анализ и доработка применительно к высотным
сооружениям существующих методов возбуждения колебаний
сооружений с целью определения собственных частот и декрементов
колебаний, а также разработан метод определения собственных частот и
декрементов колебаний высотных сооружений по записям колебаний
сооружений в ветровом потоке (по ширине пиков спектров колебаний);
доработаны методы расчета деформативности высотных сооружений с заданной обеспеченностью по времени ветровых воздействий и определению усталостной долговечности по степени накопления усталостных повреждений на основе результатов испытаний натурных узлов высотных сооружений на статические и циклические нагрузки с учетом влияния гасителей колебаний.
12 НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ заключается в следующих результатах:
- впервые разработана методика, реализованная в одном из блоков
компьютерной программы «Селена», практического подбора и
оптимизации параметров маятниковых гасителей колебаний с учетом
динамических характеристик сооружения при его колебаниях поперек
ветрового потока вследствие аэродинамической неустойчивости и вдоль
ветрового потока под воздействием пульсаций скорости ветра;
впервые разработана конструкция принципиально нового двухмассового гасителя колебаний в виде «перевернутого маятника» (патент 2096565) и демпфирующего устройства с регулируемым демпфированием в виде пневмоцилиндра, что позволяет эффективно гасить колебания сооружений с низкими собственными частотами колебаний (ниже 0,3 Гц);
впервые разработана теория гасителя колебаний в виде перевернутого маятника с регулируемым демпфированием, а также методика теоретического расчета пневматических (воздушных) демпферов для гасителей колебаний маятникового типа;
впервые разработана теория гашения автоколебаний сооружения поперек ветрового потока типа «галопирование» для сооружений с сечением, имеющим острые кромки (прямоугольник, квадрат, ромб, треугольник и т.д.), оснащенного динамическим гасителем типа «перевернутого маятника»;
впервые разработаны методы оснащения высотных сооружений динамическими гасителями колебаний, а также их взаимной адаптации, включающей измерения значений динамических параметров сооружений (собственных частот и декрементов) и настройку гасителей колебаний на парциальную частоту, определенную с учетом этих параметров;
впервые разработана методика непрерывного слежения за качеством работы динамических гасителей колебаний в системе общего мониторинга динамических параметров сооружения;
проведена оценка влияния работы гасителей колебаний на долговечность сооружения;
впервые разработаны несущие конструкции радиотелевизионной башни (а.с. 301682) высотой 372 м аэродинамически неустойчивой формы, расположенной в сложных метео-сейсмических условиях;
впервые разработана конструкция сооружения высотой 141,8 м (монумент), с невозможностью избежать возникновения аэродинамической неустойчивости, практически, всех известных видов по двум первым изгибным и первой крутильной формам собственных колебаний;
впервые разработаны новые эффективные решения конструкций дымовых труб, оснащенных динамическими гасителями колебаний, обеспечивающими их аэродинамическую устойчивость и заданную усталостную долговечность;
- впервые динамические гасители колебаний применены для
уменьшения деформативности башенных сооружений с
остронаправленными антеннами по углу места и для увеличения их
несущей способности.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ И ВНЕДРЕНИЕ
РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Практическая значимость диссертационной работы заключается в том, что на основании основных научных результатов работы стало возможным создание (разработка и строительство) высотных сооружений из металла, обладающих любым из известных видов аэродинамической неустойчивой, отвечающих по несущей способности, надежности и долговечности требованиям
действующих нормативных документов, путем оснащения их динамическими гасителями колебаний.
Примером таких сооружений в хронологической
последовательности могут служить:
башня высотой 110м в районе г. Вентспилса (Республика Латвия), оснащенная динамическим гасителем колебаний маятникового типа массой 500 кг;
башня высотой 372 м в г. Алма-Ате (Республика Казахстан), оснащенная четырьмя гасителями колебаний комбинированного типа общей массой 40 т;
Главный монумент памятника Победы на Поклонной горе в г. Москве высотой 141,8 м оснащен девятнадцатью гасителями колебаний: маятникового типа, комбинированного и в виде «перевернутого маятника», общей массой более 20 т;
спаренные дымовые трубы высотой 123 м РТС «Курьяново» (район Марьино в г. Москве) оснащены гасителями колебаний в виде «перевернутого маятника» массой 6,2 т;
- дымовая труба высотой 90 м ОАО «КНПЗ-Роснефть»
(г. Комсомольск-на-Амуре) оснащена тремя гасителями колебаний в виде
«перевернутого маятника» общей массой более 3 т;
дымовая труба высотой 80 м ОАО «Рязанский НПЗ (г. Рязань) оснащена тремя гасителями колебаний в виде «перевернутого маятника» общей массой более 3 т;
целый ряд вентиляционных труб в стержневых каркасах по всей бывшей территории СССР оснащен динамическими гасителями колебаний маятникового типа на подвеске из каната.
В дополнение к этому разработаны и внедрены:
принципиальное конструктивное решение двухмассового динамического гасителя колебаний в виде «перевернутого маятника»;
- методики, реализованные в компьютерных программах:
- - по определению и оптимизации параметров гасителей
колебаний для оснащения высотных сооружений при их
колебаниях вдоль и поперек ветрового потока;
- по определению геометрических и пневмодинамических параметров демпфирующих устройств гасителей колебаний;
- по определению собственных частот и декрементов колебаний на основе записей колебаний сооружений в ветровом потоке;
- система мониторинга динамического поведения Главного
монумента памятника Победы на Поклонной горе в г. Москве, включая установленные на нем гасители колебаний. НА ЗАЩИТУ выносятся:
новые конструктивные решения высотных сооружений
аэродинамически неустойчивой формы, оснащенные динамическими
гасителями колебаний;
принципиально новое конструктивное решение динамического гасителя колебаний типа «перевернутый маятник» с регулируемым пневматическим демпфирующим устройством;
методики расчета:
- сооружения, оснащенного гасителем колебаний маятникового типа, при колебаниях сооружения вдоль ветрового потока (воздействие пульсаций скорости ветра) и поперек ветрового потока (режим колебаний типа «ветровой резонанс») с определением и оптимизацией параметров гасителя колебаний;
- гасителя колебаний типа «перевернутый маятник» и сооружения, оснащенного гасителем колебаний указанного типа, в режиме колебаний типа «галопирование»;
- - по определению коэффициента приведения эффективности
гасителя колебаний типа «перевернутый маятник» к
эффективности гасителя колебаний маятникового типа;
- результаты разработки методики оснащения сооружений динамическими гасителями колебаний;
результаты исследований влияния динамических гасителей колебаний на интенсивность колебаний сооружений вдоль и поперек направления ветрового потока;
результаты разработки и методы расчета высотных сооружений на усталостную долговечность по степени накопления усталостных повреждений на основе результатов испытаний натурных узлов высотных сооружений на статические и циклические нагрузки с учетом влияния «работающих гасителей» колебаний.
- результаты разработки метода динамического мониторинга высотных сооружений с гасителями колебаний. АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Результаты проведенных исследований докладывались и обсуждались на Международном симпозиуме АИПК «Основные направления развития стальных конструкций и современные методы их изготовления» (Москва, 1978 г.); на Всесоюзной конференции «Совершенствование расчета и проектирования зданий и сооружений, подвергающихся динамическим воздействиям» (Харьков, 1978 г.); на второй Всесоюзной конференции «Совершенствование методов расчета зданий и сооружений на динамические воздействия» (г. Тбилиси, 1982 г.); на Международной конференции IABSE structures (Zurich, 1978 г.); на Международном симпозиуме «Виброзащита в строительстве» (Москва, 1984 г.); на Международном конгрессе ИАСС «Теория и экспериментальные исследования пространственных конструкций. Применение оболочек в инженерных сооружениях» (Москва, 1985 г.).
ПУБЛИКАЦИИ. Основное содержание работы изложено в 20 печатных работах, опубликованных в научных журналах и сборниках, а также в научно-технических отчетах, в 57 авторских свидетельствах на изобретения и 2 патентах.
ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ. Работа состоит из введения, семи глав, выводов, заключения, списка использованной литературы (296 наименований) и приложения. Общий объем диссертации 425 страниц, включая 190 иллюстраций и 25 таблиц. В приложении представлены программа расчета декремента колебаний сооружения по форме пика спектральной энергии его перемещений от воздействия ветрового потока, а также программа расчета пневматического (воздушного) демпфера гасителя колебаний.
