ГОСТ Р 59625-2022 Дороги автомобильные общего пользования. Мостовые сооружения. Правила расчета и подтверждения аэроупругой устойчивости.
ГОСТ Р 59625-2022
НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Дороги автомобильные общего пользования
МОСТОВЫЕ СООРУЖЕНИЯ
Правила расчета и подтверждения аэроупругой устойчивости
Automobile roads of the general use. Bridge constructions. The rules of the aeroelastic stability. Calculation and verification
ОКС 93.040
Дата введения 2022-04-01
Предисловие
1 РАЗРАБОТАН Обществом с ограниченной ответственностью "Мастерская мостов" (ООО "Мастерская мостов"), Открытым акционерным обществом "Институт Гипростроймост" (ОАО "Институт Гипростроймост"), Новосибирским государственным техническим университетом (НГТУ), Акционерным обществом "Институт Гипростроймост - Санкт-Петербург" (АО "Институт Гипростроймост - Санкт-Петербург"), Федеральным государственным унитарным предприятием "Крыловский государственный научный центр" (ФГУП "Крыловский государственный научный центр")
2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 418 "Автомобильные дороги"
3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 18 января 2022 г. N 10-ст
4 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ
Правила применения настоящего стандарта установлены в статье 26 Федерального закона от 29 июня 2015 г. N 162-ФЗ "О стандартизации в Российской Федерации". Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодном (по состоянию на 1 января текущего года) информационном указателе "Национальные стандарты", а текст изменений и поправок - в ежемесячном информационном указателе "Национальные стандарты". В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ближайшем выпуске ежемесячного информационного указателя "Национальные стандарты". Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет (www.rst.gov.ru)
1 Область применения
Настоящий стандарт распространяется на мостовые сооружения, расположенные на автомобильных дорогах общего пользования (далее - автомобильные дороги), в том числе при прохождении автомобильных дорог общего пользования по территории населенных пунктов.
Настоящий стандарт устанавливает правила расчета и подтверждения аэроупругой устойчивости новых, реконструируемых и подвергаемых капитальному ремонту мостовых сооружений постоянного типа, а также пешеходных мостов.
2 Нормативные ссылки
В настоящем стандарте использованы ссылки на следующие документы:
ГОСТ 4401 Атмосфера стандартная. Параметры
ГОСТ 33390 Дороги общего пользования. Мосты. Нагрузки и воздействия
СП 20.13330.2016 "СНиП 2.01.07-85* Нагрузки и воздействия"
СП 35.13330.2011 "СНиП 2.05.03-84* Мосты и трубы"
Примечание - При пользовании настоящим стандартом целесообразно проверить действие ссылочных стандартов (сводов правил) в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет или по ежегодному информационному указателю "Национальные стандарты", который опубликован по состоянию на 1 января текущего года, и по выпускам ежемесячного информационного указателя "Национальные стандарты" за текущий год. Если заменен ссылочный документ, на который дана недатированная ссылка, то рекомендуется использовать действующую версию этого документа с учетом всех внесенных в данную версию изменений. Если заменен ссылочный документ, на который дана датированная ссылка, то рекомендуется использовать версию этого документа с указанным выше годом утверждения (принятия). Если после утверждения настоящего стандарта в ссылочный документ, на который дана датированная ссылка, внесено изменение, затрагивающее положение, на которое дана ссылка, то это положение рекомендуется применять без учета данного изменения. Если ссылочный документ отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, рекомендуется применять в части, не затрагивающей эту ссылку. Сведения о действии сводов правил целесообразно проверить в Федеральном информационном фонде стандартов.
3 Термины и определения
В настоящем стандарте применены следующие термины с соответствующими определениями:
3.1 аэродинамика: Раздел механики сплошных сред, изучающий законы движения воздуха и силы, действующие на обтекаемые тела.
3.2 аэродинамические весы: Устройство для измерения аэродинамических сил, действующих на обтекаемую воздухом модель.
3.3 аэродинамические гасители колебаний: Конструктивные приспособления, изменяющие характер обтекания конструкции ветровым потоком с целью подавления аэроупругих колебаний.
3.4 аэродинамическая труба; АДТ: Техническое устройство, предназначенное для исследования взаимодействия воздушного потока с различными объектами.
3.5 аэроупругость: Область прикладной механики, в которой изучается взаимодействие упругой системы с потоком газа (воздуха).
3.6 аэроупругая устойчивость: Способность мостовой конструкции сопротивляться развитию негативных явлений аэроупругой неустойчивости, таких как вихревое возбуждение, галопирование, бафтинг, флаттер и др.
3.7 бафтинг: Вынужденные колебания конструкции или отдельных ее элементов в спутном следе, возникающем при обтекании ветровым потоком другой конструкции, расположенной с наветренной стороны.
3.8 базовая скорость ветра в районе строительства: Скорость ветра на уровне 10 м от поверхности земли, осредненная на 10-минутном интервале с периодом повторяемости 5 лет (превышаемая один раз в 5 лет, с вероятностью ежегодного превышения 20%).
3.9 вихревое возбуждение: Колебания сооружения поперек потока в узком диапазоне скоростей ветра, возникающие при совпадении одной из собственных частот колебаний сооружения с частотой схода вихрей дорожки Кармана.
3.10 вычислительная гидроаэродинамика; CFD: Раздел механики жидкости и газа, включающий совокупность математических и численных методов, предназначенных для решения проблем, связанных с потоками жидкости или газа, в том числе с ветровым потоком в приземном слое атмосферы.
3.11 галопирование: Автоколебания поперек потока, вызванные отрицательным аэродинамическим демпфированием, возникающие, когда профиль сооружения имеет отрицательные значения производной подъемной силы по углу атаки.
3.12 изгибно-крутильный флаттер: Совместные изгибно-крутильные самовозбуждающиеся колебания, характеризующиеся неограниченно и резко возрастающей амплитудой.
3.13 аэродинамические исследования: Физические или численные исследования.
3.14 численные исследования: Моделирование обтекания конструкции ветровым потоком методами вычислительной гидроаэродинамики при помощи численных алгоритмов с целью определения аэродинамических сил, коэффициентов аэродинамических сил и границ аэроупругой устойчивости конструкции.
3.15 физические исследования: Испытания физических моделей сооружения в аэродинамических трубах.
3.16 критерии подобия: Условия равенства одноименных чисел подобия для натурной и модельной конструкции.
3.17 критическая скорость галопирования, изгибно-крутильного и срывного флаттера, бафтинга, дивергенции: Скорость начала соответствующего аэроупругого явления.
3.18 критическая скорость вихревого возбуждения: Скорость, соответствующая максимальным амплитудам вихревого возбуждения (резонансная скорость).
Примечание - При этом в окрестностях критической скорости (в так называемой области захвата) также происходят колебания вихревого возбуждения, но с меньшими амплитудами.
3.19 ландшафтная аэродинамическая труба: Тип аэродинамической трубы с длинной рабочей частью, предназначенной для моделирования распределения по вертикали скорости и турбулентных характеристик приземного слоя атмосферы.
3.20 натурное сооружение (натурная конструкция): Частично или полностью построенное мостовое сооружение.
3.21 нормативная скорость ветра: Скорость ветра на высоте конструкции, осредненная на 10-минутном интервале с периодом повторяемости 5 лет (превышаемая один раз в 5 лет, с вероятностью ежегодного превышения 20%).
3.22 приземный слой атмосферы: Прилегающий к земной поверхности слой атмосферы, свойства которого в основном определяются взаимодействием с земной поверхностью.
3.23 полная динамически-подобная модель: Модель всего сооружения или его части, созданная с соблюдением основных критериев подобия так, что возможность колебаний обеспечивается за счет деформаций самой модели.
3.24 расчетная скорость ветра: Скорость ветра на высоте конструкции, осредненная на 10-минутном интервале с периодом повторяемости n лет (превышаемая один раз в n лет, с вероятностью ежегодного превышения).
3.25 секционная геометрически-подобная модель: Модель секции, представляющая собой жесткую конструкцию, в которой соблюдается геометрическое подобие конструктивных элементов пролетного строения.
3.26 секционная динамически-подобная модель: Модель участка пролетного строения, созданная с соблюдением основных критериев подобия путем установки секционной геометрически-подобной модели на упругие подвесы так, что возможность колебаний модели обеспечивается за счет деформаций упругих подвесов.
3.27 спектр частот мостового сооружения: Упорядоченный по значениям набор частот собственных колебаний.
Примечание - Первой считается форма колебаний с наименьшей частотой (с наибольшим периодом).
3.28 срывной флаттер: Самовозбуждающиеся колебания конструкции с частотой, близкой к собственной частоте крутильных колебаний, связанные с гистерезисом зависимости крутящего момента от угла атаки.
3.29 турбулентное движение: Трехмерное нестационарное движение ветрового потока в приземном слое атмосферы, при котором скорость и давление изменяются хаотично, неупорядоченно во времени и пространстве.
3.30 турбулентность: Мера изменчивости скорости ветра при турбулентном движении в приземном слое атмосферы, характеризующаяся спектром пульсаций скорости, интенсивностью турбулентности, определяемой как отношение стандартного отклонения пульсаций скорости к среднему значению скорости.
3.31 экранный эффект: Эффект изменения характера обтекания и аэродинамических сил, действующих на конструкцию, расположенную близко к поверхности земли/воды (подстилающей поверхности).
4 Обозначения и сокращения
В настоящем стандарте применены следующие обозначения и сокращения с соответствующими определениями:
ЛДК - логарифмический декремент колебаний;
ПС - пролетное строение.
5 Общие положения
5.1 Учет ветрового воздействия должен отражать многообразие воздействия ветра на сооружения в целом и отдельные элементы конструкций, включая:
- статическое действие ветрового потока;
- динамическое действие ветрового потока, обусловленное пульсациями ветра, одиночными порывами и грозовыми фронтами;
- аэроупругое взаимодействие ветрового потока с конструкциями ПС.
5.2 Расчеты на статическое и динамическое (пульсационное) воздействия ветра следует проводить согласно ГОСТ 33390, СП 20.13330.2016, СП 35.13330.2011. Оценка аэроупругих явлений с целью обеспечения аэроупругой устойчивости мостовых сооружений и учет допустимых колебаний, вызванных ветровым воздействием, с точки зрения напряженно-деформированного состояния мостового сооружения, должны проводиться согласно требованиям настоящего стандарта.
5.3 Классификация явлений аэроупругой неустойчивости, которые необходимо учитывать при проектировании мостовых сооружений, приведена на рисунке 1.
|
 |
Рисунок 1 - Явления аэроупругой неустойчивости
5.4 Проверку аэроупругой устойчивости следует выполнять:
- для вантовых и висячих мостов;
- для стальных балочных со сплошной стенкой, рамных, арочных и экстрадозных мостов при периоде собственных поперечных изгибных колебаний в вертикальной плоскости по первой форме указанных типов мостовых сооружений более 1,5 с;
- для отдельных элементов решетчатых конструкций и подвесок арочных мостов с гибкостью 1 более 100.
5.5 Для вантовых, висячих, арочных с гибкими подвесками и экстрадозных мостов по 5.4 следует выполнять проверки для всех явлений аэроупругой неустойчивости по 5.3.
5.6 Для балочных (включая консоли на монтаже) и рамных мостов, указанных в 5.4, следует выполнять проверки на вихревое возбуждение согласно разделу 8 и проверку на бафтинг согласно разделу 12; кроме того, для балочных мостов, указанных в 5.4, следует:
- выполнять проверку на галопирование согласно разделу 9, если расчетная скорость в уровне сооружения превышает 25 м/с и соотношение ширины ПС к высоте B/H менее 3,5. Высота H с учетом сплошных ограждающих конструкций проезжей части определяется в соответствии с приложением А;
- выполнять проверку на изгибно-крутильный флаттер согласно разделу 11, если балочное ПС состоит из главных балок открытого профиля.
5.7 Отдельные элементы решетчатых ПС по 5.4 следует проверять только на вихревое возбуждение согласно разделу 8.
5.8 Для проверки аэроупругой устойчивости следует использовать инженерные методы, численные и физические аэродинамические исследования в соответствии с требованиями разделов 8-12.
5.9 Для балочных мостов, рамных мостов и консолей на монтаже, для которых не требуется проверка на галопирование и бафтинг согласно критериям по 5.6, а также выполнен критерий невозможности развития изгибно-крутильного флаттера согласно 11.3, допускается выполнять проверку аэроупругой устойчивости только на вихревое возбуждение с использованием инженерных методик, приведенных в приложениях Б и В, при наличии необходимых экспериментальных параметров (в случае консоли с участками различного сечения - для всех участков). Исключение составляют мосты в условиях сложного рельефа, кривые в плане мосты с радиусом кривизны менее 200 м. Для консолей с аванбеком по 5.4 из балок со сплошной неперфорированной стенкой или при перфорации стенки не более 15% проверку аэроупругой устойчивости рекомендуется выполнять при помощи физических исследований.
5.10 При двухстадийном проектировании в случаях, предусмотренных в 5.11 и 5.12, допускается в рамках стадии "Проект" ограничиться численными исследованиями, а выполнение физических исследований завершить в рамках стадии "Рабочая документация". Для балочных мостов с периодом колебаний в интервале от 1,5 до 2,2 с допускается ограничиться численными исследованиями вне зависимости от стадии проектирования за исключением случаев выраженного трехмерного характера обтекания потоком воздуха поперечного сечения ПС:
- неравномерная установка аэродинамических средств гашения колебаний;
- при изменении высоты или ширины поперечного сечения ПС (более 0,5 м/10 м в среднем) в пределах участка длиной 6H (где H - полная высота ПС) от точки с максимальной ординатой вертикальной формы колебаний.
5.11 Физические аэродинамические исследования в аэродинамических трубах на секционных динамически-подобных моделях следует проводить:
- для балочных мостов с периодом собственных колебаний по первой вертикальной форме выше 2,2 с;
- вантовых и висячих мостов;
- арочных мостов с гибкими подвесками и экстрадозных мостов по 5.4;
- случая трехмерного характера обтекания потоком воздуха поперечного сечения исследуемого конструктивного элемента;
- подтверждения эффективности аэродинамических средств гашения колебаний, перечисленных в Г.2.6 приложения Г, а также иных аэродинамических средств гашения, установленных дискретно по длине ПС;
- параллельных близкорасположенных мостовых сооружений в случаях, оговоренных в разделе 12, с периодом собственных колебаний по первой вертикальной форме выше 2 с.
5.12 Физические исследования на полной динамически-подобной модели моста в дополнение к секционной динамически-подобной модели рекомендуется проводить:
- для висячих мостов;
- мостов, у которых пилоны имеют сложную пространственную форму или поперечные сечения пилона существенно отличаются от круглого или прямоугольного поперечного сечения;
- мостов с пилонами разной высоты или разной конструкции;
- параллельных вантовых и висячих мостов, находящихся в непосредственной близости друг к другу или находящихся вблизи существующего моста, в случаях, оговоренных в разделе 12;
- ПС мостов по 5.11, расположенных на кривой в плане с радиусом менее 200 м;
- мостов с пролетом более 500 м;
- мостов по 5.11, расположенных в местности со сложным рельефом;
- вантовых мостов в условиях городской застройки с высотой зданий более 20 м;
- мостов по 5.11 через морские проливы, бухты и заливы;
- консолей на монтаже, составляющих исключение согласно 5.9;
- консолей вантовых мостов на стадии монтажа при максимальном вылете консоли.
5.13 Для вантовых и висячих мостов дополнительно рекомендуется проведение физических аэродинамических исследований на динамически-подобной модели отдельно стоящего пилона на стадии монтажа.
5.14 Для уменьшения амплитуд колебаний вихревого возбуждения и исключения недопустимых явлений аэроупругой неустойчивости рекомендуется применение средств гашения колебаний аэродинамического типа, при этом необходимо подтвердить эффективность применяемых средств путем аэродинамических исследований. Рекомендации по применению средств гашения колебаний приведены в приложении Г.
5.15 Физические исследования необходимо проводить согласно требованиям раздела 15.
5.16 При выполнении оценок возможности развития аэроупругих явлений, а также аэродинамических исследований мостовых сооружений следует учитывать:
- расположение автомобильного или железнодорожного транспорта на наветренном ПС при проверке подветренного ПС на бафтинг согласно требованиям раздела 12. Допускается не учитывать негативные аэроупругие явления, возникающие при загружении транспортными колоннами при скоростях ветра 25 м/с и более;
- ситуацию возможного образования снеговых заносов на внешних барьерных ограждениях;
- экранный эффект при y/H менее 2,5, где y - расстояние от нижней поверхности балки жесткости до уровня земли или проектного уровня воды, H - характерная высота балки жесткости, определяемая в соответствии с приложением А;
- наличие шумозащитных и грязезащитных экранов;
- сложный рельеф местности в створе мостового перехода с учетом генеральных планов развития территорий;
- обледенение гибких канатных элементов, приводящее к изменению формы сечений и характеристик обтекания.
5.17 В обоснованных случаях допускается учитывать колонны автотранспорта на исследуемом ПС. Рекомендуемые схемы транспортных средств и их расположения приведены в приложении Д.
5.18 Оболочки вант должны иметь защиту от дожде-ветровой вибрации.
5.19 В случае применения шумозащитных и грязезащитных экранов, а также средств гашения колебаний аэродинамического типа, приведенных в приложении Г, следует выполнить расчет данных конструкций на пиковую ветровую нагрузку по СП 20.13330.2016.
5.20 Общая схема проверки аэроупругой устойчивости различных типов мостовых сооружений, включая основные критерии, виды аэроупругой неустойчивости и способы их оценки, приведена в приложении Е.
6 Параметры ветрового воздействия
6.3 Для мостовых сооружений период повторяемости расчетной скорости ветра для стадии эксплуатации следует принимать равным сроку службы сооружения. Расчетную скорость ветра для стадии монтажа следует принимать равной нормативной скорости ветра.
Расчетную скорость ветра для стадии эксплуатации, соответствующую расчетному сроку службы мостового сооружения, равному 100 лет, вычисляют по формуле
Расчетная скорость ветра для иных значений расчетного срока службы определяется по приложению Ж.
6.4 При проведении аэродинамических исследований следует учитывать возможность отклонения угла атаки ветрового потока от нулевого значения относительно сооружения. Рекомендуется учитывать диапазон углов атаки от минус 5° до плюс 5°.
6.6 В настоящем стандарте применяют правила знаков и системы координат для аэродинамических сил, приведенные на рисунке 2.
|
 |
Рисунок 2 - Правило знаков и система координат
7 Расчеты по предельным состояниям
7.1 При воздействии аэроупругих колебаний с ограниченной амплитудой в заданном диапазоне скоростей ветра (вихревое возбуждение, бафтинг, галопирование) конструкцию мостового сооружения следует проверять по предельным состояниям первой и второй групп. Перечисленные аэроупругие явления допускается учитывать в виде сил инерции, вызванных колебаниями по 7.10.
7.2 При проверках по предельным состояниям первой группы для сооружений на стадии эксплуатации следует использовать параметры аэроупругих явлений, полученные в ламинарном режиме.
7.3 Расчетные усилия в элементах конструкции при выполнении проверок по прочности и устойчивости следует определять от сочетаний нагрузок, включающих:
- постоянную нагрузку;
- основную ветровую нагрузку (статическую и пульсационную по СП 35.13330.2011 или СП 20.13330.2016);
- инерционную нагрузку, вызванную аэроупругими колебаниями.
При этом следует учитывать коэффициенты сочетания, указанные в таблице 1. Коэффициенты надежности и динамики к постоянной и подвижной нагрузкам принимают по СП 35.13330.2011, к основной ветровой нагрузке, приведенной в приложении Ж, к инерционной нагрузке от аэроупругих колебаний - по 7.10.
Для получения доступа к полной версии без ограничений вы можете выбрать подходящий тариф или активировать демо-доступ.