СЕЙСМОСТОЙКИЙ МОСТ Российский патент 2008 года по МПК E01D18/00 

Область техники

Изобретение относится к области транспортного строительства, а более конкретно к конструкциям мостов повышенной сейсмостойкости.

Уровень техники

Известно, что при землетрясениях наиболее опасными с точки зрения разрушения сооружений являются горизонтальные сейсмические нагрузки. В конструкциях мостов наиболее уязвимой частью являются опоры мостов. Возможны два принципиальных пути снижения горизонтальных сейсмических нагрузок на опоры мостов. Традиционный путь включает мероприятия для восприятия действующих сейсмических нагрузок за счет развития сечений опор и увеличения их армирования. Такое усиление эффективно при расчетной сейсмичности до 8 баллов по шкале ИФЗ. При расчетной сейсмичности 8 и более баллов эффективными становятся специальные методы сейсмозащиты конструкций, основанные на снижении самих сейсмических нагрузок. К специальным методам относятся методы сейсмогашения и сейсмоизоляции.

Применительно к мостам сейсмоизоляция сводится к установке податливых опорных частей. За рубежом наибольшее распространение получили резиновые опорные части (РОЧ) (см., например, монографию Kelly J.M. Earthquake resistant design with rubber. Springer. 1997, 243 p.). Известно применение таких опорных частей фирм Mauer Söhn, FIP Industrialle, ALGA и ряда других. На фиг.1 приведен пример опоры с резиновой опорной частью.

Другим примером реализации податливого соединения пролетных строений с опорами являются гибкие опорные части, выполненные из металлических труб или стержней (Фиг.2) по а.с. СССР №1162886, опубл. 23.06.85 г. Пролетные строения моста опираются на эти гибкие опорные части. В этом устройстве жесткость металлических труб или стержней гибкого опорного столика определяется расчетным путем по формуле

c=α·k²·M,

где с - жесткость податливой опорной части,

k - собственная частота колебаний опоры,

М - масса пролетного строения,

α - коэффициент, зависящий от рассеяния энергии колебаний и характера воздействия.

В известных решениях податливые опорные части устанавливаются на всех опорах и обеспечивают снижение инерционной сейсмической нагрузки от пролетного строения на опоры. Однако во многих случаях этого снижения недостаточно и требуется дополнительное усиление опоры. Кроме того, нагрузка со стороны пролетного строения в таких конструкциях передается обычно на устой или насыпь за устоем. Это требует создания специальных анкерных элементов или усиления устоев.

Известны технические решения сейсмозащиты мостов, в которых для снижения инерционных сейсмических нагрузок используются динамические гасители колебаний (ДГК). Так, в а.с. СССР №635162, опубл. 30.11.78, дополнительная гасящая масса прикреплена к тормозному поясу пролетного строения. В указанном решении масса ДГК сравнительно мала, что требует точной настройки его жесткости, как правило невозможной по условиям строительства и эксплуатации. В связи с этим эффективность указанного гасителя колебаний недостаточна.

Для повышения эффективности гашения колебаний было предложено использовать в качестве гасящей массы пролетное строение моста (Никитин А.А., Уздин А.М. Применение динамических гасителей колебаний для сейсмозащиты мостов. // Экспресс-информация ВНИИИС. Сер.14. Сейсмостойкое строительство. 1986. - Вып.9. - с.20-24.). Это решение позволяет отказаться от дополнительных гасящих масс, оно проще по конструкции, но имеет два недостатка. Во-первых, масса пролетного строения не должна превышать критического значения, равного примерно двум массам опоры. Во многих случаях конкретного строительства это условие не выполняется. Во-вторых, эффект гашения колебаний часто оказывается недостаточным, а перемещения пролетного строения относительно опор чрезмерными, приводящими к падению пролетного строения с опор.

В авторском свидетельстве СССР №1335612, опубл. 07.09.87 г., описан сейсмостойкий мост, в котором также используется пролетное строение моста для гашения колебаний опор. Этот мост включает береговые опоры, по меньшей мере, одну промежуточную опору и, по меньшей мере, два пролетных строения, опирание которых на опоры осуществляется через податливую и подвижную опорные части. Это изобретение является наиболее близким к заявляемому и принято в качестве прототипа. В нем одно из пролетных строений и опора соединены упругой неподвижной вдоль оси моста связью, жесткость которой подбирается в зависимости от параметров моста. При этом пролетное строение выполняет роль динамического гасителя колебаний опоры. Второе пролетное строение, опирающееся на ту же опору, имеет возможность свободной подвижки относительно опоры до удара об упругий стопор.

Недостатком известного изобретения является то, что эффект гашения во многих случаях оказывается недостаточным, а при превышении массой пролетного строения критического значения эффект гашения исчезает. Кроме того, в процессе колебаний будут иметь место удары пролетного строения о стопор, приводящие к недопустимой перегрузке опор.

Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является создание простого по конструкции сейсмостойкого моста с пролетными строениями, опоры которого способны выдерживать высокие сейсмические нагрузки.

Техническим результатом, достигаемым в заявляемом изобретении, является повышение эффективности динамического гашения колебаний опоры моста путем снижения горизонтальных воздействий на опору, вызванных сейсмическими колебаниями основания (грунта).

Задача изобретения решена тем, что в конструкции сейсмостойкого моста, включающего береговые опоры, по меньшей мере одну промежуточную опору и по меньшей мере два пролетных строения, опирание которых на опоры осуществляется через податливые и/или подвижные опорные части, согласно изобретению по меньшей мере на одной из промежуточных опор два пролетных строения имеют опирание через податливые опорные части, причем другие концы этих пролетных строений имеют опирание на другие опоры через подвижные опорные части, а жесткость указанных податливых опорных частей определяется по формуле

где с₁ - жесткость податливой опорной части первого пролетного строения,

с₂ - жесткость податливой опорной части второго пролетного строения,

k - собственная частота колебаний промежуточной опоры, на которой установлены указанные податливые опорные части,

M₁ и М₂ - массы первого и второго пролетных строений,

α₁ и α₂ - коэффициенты, зависящие от относительной массы пролетных строений.

Таким образом, обеспечивается режим колебаний обоих пролетных строений в продольном направлении в качестве динамических гасителей колебаний той опоры, на которую они опираются через податливые опорные части. При этом эта опора моста оказывается снабженной двумя динамическими гасителями колебаний. При настройке каждого из динамических гасителей колебаний (ДГК), т.е. подборе характеристик жесткости и демпфирования, выполняемой по предлагаемым формулам в зависимости от относительной массы пролетных строений, удается обеспечить эффект гашения при массах пролетного строения, превышающих критическое значение, равное примерно двум массам опоры.

Кроме того, предлагаемое решение позволяет повысить эффективность гашения, что проиллюстрировано на Фиг.7.

Для снижения амплитуды перемещений пролетных строений и уменьшения опасности их падения в месте опирания по меньшей мере одного пролетного строения на подвижную опорную часть может быть установлено демпфирующее устройство, соединяющее опору и пролетное строение и демпфирующее горизонтальные колебания.

С этой же целью в месте опирания по меньшей мере одного пролетного строения на податливую опорную часть может быть также установлено демпфирующее устройство, соединяющее опору и пролетное строение и демпфирующее горизонтальные колебания.

При использовании легких по отношению к весу опоры пролетных строений для обеспечения эффекта гашения можно объединить группу пролетных строений с одной или двух сторон от защищаемой опоры в цепочку. Каждое из пролетных строений опирается на подвижные опоры. При этом в качестве гасящей массы используется не одно, а несколько пролетных строений для обеспечения лучшего эффекта гашения.

Если жесткость податливых опорных частей, вычисленная по рекомендуемым формулам, окажется слишком маленькой, приводящей к нарушению эксплуатации моста в нормальных условиях, т.е. при отсутствии землетрясений, то одна или обе податливые опорные части могут быть дополнительно выполнены заблокированными, т.е. параллельно с ними устраиваются жесткие соединения пролетного строения с опорой. Эти жесткие соединения должны иметь ограниченную несущую способность или содержать специальные элементы. При сильных сейсмических воздействиях жесткие соединения должны разрушаться или выключаться из работы специальные элементы. После этого предлагаемая система защиты включается в работу.

Краткий перечень чертежей

Заявляемое изобретение иллюстрируется чертежами, на которых изображено:

На фиг.1 - Общий вид известной резиновой опорной части (РОЧ).

На фиг.2 - Известная опорная часть в виде гибкого опорного столика.

На фиг.3 - Фрагмент конструкции моста согласно изобретению с тремя промежуточными опорами.

На фиг.4 - Фрагмент конструкции моста согласно изобретению модификации изобретения.

На фиг.5 - Пример конструкции податливого соединения пролетных строений с опорами с помощью тарельчатых пружин и катучей опоры.

На фиг.6 - Пример конструкции податливого соединения по фиг.5 с добавлением фиксирующих элементов.

На фиг.7 - Сравнительные амплитудно-частотные характеристики для опоры.

Осуществление изобретения

На Фиг.3 изображен фрагмент сейсмостойкого моста согласно первому варианту осуществления изобретения. Мост включает пролетные строения 1 и 2, промежуточные опоры 3, подвижные опорные части 4, податливые опорные части 5, а так же демпферы 6, соединяющие приопорные участки пролетных строений 1 и 2 с опорами 3 в районах их опирания на подвижные опорные части 4 и демпфирующие горизонтальные колебания. На опоре 3, которая изображена в центре чертежа и в данной конструкции, предполагается наиболее уязвимой с точки зрения сейсмических воздействий, размещаются податливые опорные части 5, а на соседних опорах пролетные строения имеют подвижные опорные части 4. Жесткость с₁ и с₂ податливых опорных частей 5 определяется по формулам (1), причем коэффициенты α₁ и α₂. могут быть подобраны из условия минимизации пиков графика АЧХ (амплитудно-частотных характеристик) при гармоническом воздействии методом простого перебора на сетке их возможных значений. При нелинейной работе опоры вследствие накопления в ней повреждений коэффициенты α₁ и α₂ могут быть подобраны из условия минимизации повреждаемости опоры методом простого перебора на сетке их возможных значений.

В частности, при расчете примера осуществления были использованы следующие формулы:

где ν_1,2 - относительные массы пролетных строений

В процессе сейсмических колебаний за счет рекомендуемой настройки параметров системы опора 3 и пролетные строения 1 и 2 будут совершать противофазные колебания, что приведет к резкому снижению нагрузки на опору 3.

Податливые опорные части могут быть выполнены, например, в виде показанных на фиг.1 известных резиновых опорных частей (РОЧ) 7 или в виде показанных на фиг.2 известных гибких опорных столиков 8 с шарниром 9 и опорной плитой 10.

Коэффициенты неупругого сопротивления податливых опор могут быть рассчитаны, например, из условия минимума пиков АЧХ по следующим формулам:

где ν_1,2 - относительные массы пролетных строений.

Для получения оптимальной массы ДГК при наличии легких по сравнению с опорой пролетных строений или при большой разнице масс соседних пролетных строений целесообразно использовать вариант конструкции, показанный на фиг.4. Здесь соседние пролетные строения 2 соединены между собой продольной связью 11. Кроме того, на этом чертеже показано, что демпферы 6, демпфирующие горизонтальные колебания и соединяющее опору и пролетное строение, могут быть также установлены и в месте опирания пролетного строения на податливую опорную часть.

Другой пример конструкции податливой опорной части показан на Фиг.5. Оголовок 12 защищаемой опоры снабжен выступом 13. Между выступом 13 и пролетными строениями 1 и 2 в продольном направлении моста установлены пакеты пружин 14, например тарельчатых или витых пружин. Кроме того, между пролетными строениями 1 и 2 и оголовком 12 установлены катучие опоры 15, обеспечивающие передачу вертикальной нагрузки и включение в работу пружин 14 на горизонтальную нагрузку. В этом случае совместная работа пружин 14 и катучей опоры 15 обеспечивает работу системы опирания как податливой в горизонтальном направлении опорной части. При этом упругий элемент 14 освобожден от восприятия вертикальной нагрузки, что облегчает его работу.

На фиг.6 показано развитие конструкции податливой опорной части по фиг.5. Здесь для фиксации пролетных строений 1 и 2 относительно опоры 3 при нормальных условиях эксплуатации моста, т.е. при отсутствии землетрясения, опора 3 и пролетные строения 1 и 2 связаны между собой жесткими фиксирующими элементами 16. Эти фиксирующие элементы 16 выполнены так, что при появлении сейсмических нагрузок, превышающих заранее заданное значение, разрушается либо сам этот фиксирующий элемент, либо его связь с опорой и/или пролетным строением. После этого вступает в работу податливая опорная часть и пролетное строение 1 выполняет функцию ДГК.

На фиг.7 показаны сравнительные амплитудно-частотные характеристики опоры, жестко связанной с пролетными строениями (кривая А) опоры, снабженной одним ДГК (кривая В) и опоры, снабженной двумя ДГК (кривая С). Как видно из графика, максимальное ускорение оголовка защищаемой опоры в предлагаемом решении (график С) на 40% меньше, чем для опоры, снабженной одним ДГК (график В), и на 85% меньше, чем для опоры, жестко связанной с пролетными строениями (график А).

Изобретение относится к области транспортного строительства, а более конкретно к конструкциям мостов повышенной сейсмостойкости. Технический результат - повышение эффективности динамического гашения колебаний опоры моста. Сейсмостойкий мост, включающий береговые опоры по меньшей мере одну промежуточную опору и по меньшей мере два пролетных строения, опирание которых на опоры осуществляется через податливые и подвижные опорные части, отличающийся тем, что, по меньшей мере, на одной из промежуточных опор два пролетных строения имеют опирание через податливые опорные части, причем другие концы этих пролетных строений имеют опирание на другие опоры через подвижные опорные части, а жесткость указанных податливых опорных частей определена по формуле

где:

c₁ - жесткость податливой опорной части первого пролетного строения,

c₂ - жесткость податливой опорной части второго пролетного строения,

k - собственная частота колебаний промежуточной опоры, на которой установлены указанные податливые опорные части,

M₁ и M₂ - массы первого и второго пролетных строений,

α₁ и α₂ - коэффициенты, зависящие от относительной массы пролетных строений. 5 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Сейсмостойкий мост, включающий береговые опоры, по меньшей мере, одну промежуточную опору и по меньшей мере два пролетных строения, опирание которых на опоры осуществляется через податливые и/или подвижные опорные части, отличающийся тем, что по меньшей мере на одной из промежуточных опор два пролетных строения имеют опирание через податливые опорные части, причем другие концы этих пролетных строений имеют опирание на другие опоры через подвижные опорные части, а жесткость указанных податливых опорных частей определена по формуле:

где с₁ - жесткость податливой опорной части первого пролетного строения,

с₂ - жесткость податливой опорной части второго пролетного строения,

k - собственная частота колебаний промежуточной опоры, на которой установлены указанные податливые опорные части,

M₁ и М₂ - массы первого и второго пролетных строений,

α₁ и α₂ - коэффициенты, зависящие от относительной массы пролетных строений.