Исследование, разработка и внедрение высотных сооружений с гасителями колебаний

• Автор: Остроумов, Борис Валентинович
• Шифр специальности: 05.23.01
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 425 с. : ил

ОГЛАВЛЕНИЕ

Современное состояние проблемы

Разработка и внедрение новых конструктивных решений высотных сооружений аэродинамически неустойчивой формы

Экспериментальные модельные исследования

взаимодействия сооружений аэродинамически неустойчивой формы с воздушным потоком

Определение стационарных аэродинамических характеристик ствола и зданий башни

Определение стационарных аэродинамических характеристик моделей монумента

3.2.1 Влияние числа Рейнольдса на аэродинамические характеристики модели

3.2.2 Влияние угла атаки на аэродинамические характеристики моделей

3.2.3 Влияние барельефов на аэродинамические характеристики модели

3.2.4 Исследование возможности возникновения галопирующих колебаний

3.2.5 Исследование пульсаций давления на моделях отсеков монумента
Проведение кинематических испытаний моделей монумента
3.3.1 Исследование аэродинамической неустойчивое ПО
ти модели монумента на установке для угловых колебаний
3.3.2 Исследования влияния сквозных каналов на
гашение колебаний модели монумента
3.4. Исследование моделей дымовых труб РТС
Курьяново в аэродинамической трубе
3.4.1 Влияние шероховатости и чисел Рейнольдса на
аэродинамические характеристики моделей
3.4.2 Влияние расстояния между трубами на их
аэродинамические характеристики
3.4.3 Исследование возможности возникновения
галопирующих колебаний
3.4.4 Исследование устойчивости моделей на
установке для угловых колебаний
3.4.5 Колебания модели одной трубы
3.4.6 Колебания модели трубы в следе за
неподвижной моделью асинфазная мода
3.4.7 Колебания моделей двух труб на одном
основании синфазная мода
3.5. Исследование динамически подобной модели башни
3.6. Исследование динамически подобной модели Главного
монумента
3.6.1 Определение положения оси жесткости
3.6.2 Определение жесткости на кручение
3.6.3 Определение жесткости на изгиб
3.6.4 Экспериментальное определение динамических 0 характеристик
Глава 4 Разработка и внедрение новых конструктивных решений динамических гасителей колебаний и методов расчета их параметров
4.1. Состояние вопроса
4.2. Разработка и внедрение новых конструкций
динамических гасителей колебаний
4.3. Разработка методов практического расчета по
определению параметров динамического гасителя колебаний, установленного на сооружении, в режимах колебаний сооружения поперек направления ветрового потока типа вегровой резонанс и вдоль потока под действием турбулентных пульсаций скорости ветра
4.3.1 Разработка математической модели
4.3.2 Расчет параметров гасителей колебаний
4.4. Разработка методов расчета по определению
параметров гасителей колебаний в виде перевернутого маятника и сооружений с гасителем колебаний этого типа в режиме колебаний поперек ветрового потока типа галопирования
4.4.1 Обоснование необходимости использования динамического гасителя колебаний типа перевернутого маятника
4.4.2 Вывод уравнения колебаний динамического гасителя колебаний в виде перевернутого маятника
4.4.3 Использование демпфирующих устройств в динамическом гасителе колебаний типа перевернутого маятника
4.5. Разработка методов расчета сооружений с гасителем колебаний типа перевернутого маятника в режиме колебаний поперек ветрового поток типа галопирование
Глава 5 Разработка методики оснащения сооружений динамическими гасителями колебаний
5.1. Последовательность проведения работ по оснащению сооружений гасителями колебаний
5.2. Анализ результатов натурных испытаний высотных сооружений башенного типа
5.2.1 Определение динамических параметров натурного сооружения методом приложения импульсной нагрузки
5.2.1.1 Испытания башни высотой 0 м
5.2.1.2 Испытания Главного монумента памятника Победы на Поклонной горе в г. Москве перед сдачей в эксплуатацию апрель г.
5.2.1.3 Испытания дымовой трубы высотой м в г. КомсомольскнаАмуре и дымовых труб высотой 3 м РТС Курьяново
5.2.1.4 Определение динамических параметров натурного сооружения методом возбуждения колебаний вибратором
Глава 6 Гашение колебаний сооружений вдоль ветрового потока
6.1. Колебания сооружений вдоль ветрового потока от порывов ветра и задача снижения их интенсивности
6.2. Пример натурных испытаний решетчатой башни высотой м при гашении ее колебаний вдоль ветрового потока
Глава 7 Разработка методов расчета высоких гибких сооружений на усталостную долговечность
7.1. Разработка методики расчета высоких гибких 4 сооружений на усталостную долговечность с учетом заданной обеспеченности ветрового воздействия
7.2. Исследование усталостной долговечности несущих конструкций башни
7.3. Влияние работы гасителей колебаний на усталостную долговечность и несущую способность сооружения
Основные выводы Заключение Список литературы
Приложение 1. Методика и программа определения частот и
декрементов колебаний высотных сооружений по форме пиков спектральной плотности их колебаний, вызванных воздействием ветра Приложение 2. Программа расчета пневматического
воздушного демпфера гасителя колебаний
ВВЕДЕНИЕ
Современные требования к созданию высотных сооружений из металла могут быть сформулированы, как создание рационального конструктивнокомпоновочного 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 конструктивнокомпоновочных 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
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 2 м в г. АлмаАте на горе КокТюбе, построенная в 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 обладаю 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 2 м.
Актуальность


На основе приведенных предпосылок может быть сделан вывод о необходимости проведения исследований моделей сооружений в аэродинамических трубах с целью получения данных о величинах статических аэродинамических характеристик и распределения давления по периметру сооружения. Получение необходимых данных возможно при испытаниях моделей отдельных отсеков сооружения или всего сооружения вцелом без соблюдения динамического подобия, или на динамически подобных моделях. При разработке достаточно сложных и весьма ответственных сооружений предположительно аэродинамически неустойчивой формы в зависимости от имеющегося объема информации в банке данных разработчика и литературных источниках об аэродинамических характеристиках внешней формы сооружения, особенно при задании его внешнего архитектурного облика и структуры внешней поверхности, целесообразно проведение исследований моделей в виде отдельных частей отсеков сооружения. В этом случае необходимые данные могут быть получены на так называемых жестких моделях как отсеков отдельных частей сооружения, так и сооружения вцелом. Однако проведение испытаний моделей отдельных отсеков сооружения дает возможность исследовать модели гораздо большего масштаба, нежели модели всего сооружения вцелом. В связи с этим несколько упрощается как процесс изготовления моделей, так и режим проведения испытаний изза более полной возможности удовлетворения требований по подобию моделей. Результаты этих исследований позволяют уточнить статические ветровые нагрузки на сооружение и провести расчет принятой конструктивной схемы сооружения на статическую и динамическую составляющие ветровой нагрузки по первому предельному состоянию, т. Одной из особенностей разработки конструктивных решений высотных сооружений и, особенно, сооружений аэродинамически неустойчивой формы является необходимость принятия окончательного решения о конструкции узлов соединения элементов сооружения с учетом результатов расчета на усталостную долговечность наиболее нагруженных из них. Критерием принятия решений при этом являются результаты расчетов усталостной долговечности по накоплению усталостных повреждений с учетом уровня статических и динамических напряжений в эксплуатационном диапазоне скоростей ветра и учета влияния гасителей колебаний при оснащении ими сооружения на снижение уровня динамических напряжений в конструктивных элементах сооружений и узлах их соединений. В случае отсутствия необходимых данных о величинах расчетного сопротивления усталости, необходимо проведение испытаний натурных моделей узлов на сочетания статических и циклических нагрузок в заданных режимах нагружений соотношение статических и циклических нагрузок и диапазонах температур. Далее представлено краткое описание особенностей конструктивнокомпоновочных решений нескольких наиболее интересных сооружений аэродинамически неустойчивой формы, разработанных под руководством и при непосредственном участии автора данной работы. Радиотелевизионная опора высотой 2 м на горе КокТюбе в г. АлмаАте представлена на рис. Конструктивнокомпоновочная схема этого сооружения Л. Ленинграде, Киеве, Харькове, Тбилиси, Ереване. Рис. Ствол представляет собой трехсту п е н чатую шестIтдцатигра I ную призму, облицованную панелями из алюминиевого профилированного листа. Законченный архитектурный облик башне придают смотровая площадка на отметке ,5 м и технические здания одноэтажное на отметке 6 м и двухэтажное на отметке 8 м. Несущий каркас ствола башни рис. I 7,0 м ,0 м 8,5 м и разделенных на секции длиной мм, соединяемые между собой на сварке. Верхние части ствола с меньшей базой входят в нижние части с большей базой телескопически. В плоскости граней призм расположены распорки из сварных двутавров и раскосы из спаренных уголков. Общий вид основных конструкций башни в г. АлмаАге во время монтажа
Рис. Геометрическая неизменяемость поперечного сечения ствола башни обеспечивается установкой через каждые мм по высоте диафрагм, выполняемых в виде балочных клеток, которые кроме своего прямого назначения выполняют функции переходных площадок маршевых лестниц,
3. Конструктивное решение ствола башни
Зк
Зк
Рис.