Разработка и внедрение методов расчета высотных металлических конструкций на воздействие порывов ветра с выделением квазистатической и резонансной составляющих их реакции тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.01, кандидат технических наук Никитин, Павел Николаевич

• Никитин, Павел Николаевич
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Никитин, Павел Николаевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ КВАЗИСТАТИЧЕСКОЙ И РЕЗОНАНСНОЙ СОСТАВЛЯЮЩИХ РЕАКЦИИ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ НА ПОРЫВЫ ВЕТРА.

1.1. Экспериментальные исследования.

1.2. Теоретические исследования.

1.3. Выводы.

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ РАСЧЕТА СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ НА ВОЗДЕЙСТВИЕ ПОРЫВОВ ВЕТРА С РАЗДЕЛЕНИЕМ ИХ РЕАКЦИИ НА КВАЗИСТАТИЧЕСКУЮ И РЕЗОНАНСНУЮ СОСТАВЛЯЮЩИЕ.

2.1. Метод, основанный на спектральном анализе турбулентных ветровых воздействий, аэродинамических нагрузок и реакции сооружений с использованием соответствующей системы передаточных функций.

2.2. Метод прямого расчета строительных конструкций на стационарное случайное воздействие.

2.3. Выводы.

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ И НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КВАЗИСТАТИЧЕСКИХ И РЕЗОНАНСНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ СООРУЖЕНИЙ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ПОРЫВОВ ВЕТРА.

3.1. Оптические методы натурных исследований.

3.1.1. Разработка и изготовление специальной оптической измерительной системы.

3.1.2. Методика проведения измерений.

3.1.3. Методика обработки результатов измерений.

3.1.4. Натурные испытания, сравнение результатов натурных испытаний с результатами теоретических расчетов по предлагаемым методикам.

3.2.ВЫВОД Ы.

ГЛАВА 4. РАСЧЕТ СООРУЖЕНИЙ НА УСТАЛОСТНУЮ ПРОЧНОСТЬ И ДОЛГОВЕЧНОСТЬ С УЧЕТОМ РАЗДЕЛЕНИЯ ИХ РЕАКЦИИ НА ПОРЫВЫ ВЕТРА НА

КВАЗИСТАТИЧЕСКУЮ И РЕЗОНАНСНУЮ СОСТАВЛЯЮЩИЕ.

ГЛАВА 5. РАСЧЕТ СООРУЖЕНИЙ НА ДЕФОРМАТИВНОСТЬ С УЧЕТОМ РАЗДЕЛЕНИЯ ИХ РЕАКЦИИ НА ПОРЫВЫ ВЕТРА НА КВАЗИСТАТИЧЕСКУЮ И РЕЗОНАНСНУЮ СОСТАВЛЯЮЩИЕ.

ГЛАВА 6. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДАННЫХ РАЗДЕЛЬНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ РЕАКЦИИ СООРУЖЕНИЙ НА ПОРЫВЫ ВЕТРА В КВАЗ И СТАТИ ЧЕС КОЙ И РЕЗОНАНСНОЙ ОБЛАСТЯХ ЧАСТОТНОГО СПЕКТРА ПРИ РАЗРАБОТКЕ И ПРОЕКТИРОВАНИИ

ДИНАМИЧЕСКИХ ГАСИТЕЛЕЙ КОЛЕБАНИЙ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и внедрение методов расчета высотных металлических конструкций на воздействие порывов ветра с выделением квазистатической и резонансной составляющих их реакции»

Практически все строительные конструкции (кроме подземных) в той или иной степени подвержены воздействию ветрового потока. Причем, степень этого воздействия растет с увеличением высоты и гибкости сооружений, достигая максимума для высотных сооружений (башен, мачт, дымовых и вентиляционных труб, радиотелескопов, антенных плотен, а также различных памятников, монументов и обелисков [3,5,7,30,31].

Ветер вызывает статическое и динамическое силовое воздействие на сооружения. Динамическое воздействие определяется турбулентными пульсациями скорости ветра (порывами ветра), вызывающими вынужденные колебания сооружений вдоль среднего направления ветрового потока (автоколебания сооружений поперек направления ветрового потока вследствие срывных явлений и аэродинамической неустойчивости в данной работе не рассматриваются.)

Порывы ветра в нижнем (пограничном) слое атмосферы могут быть представлены в виде энергетического спектра, расположенного в диапазоне частот от 0,001 до 20 Гц [53,80], в то время как частоты собственных колебаний большинства сооружений лежат в диапазоне от 0,08 до 20Гц, то есть в высокочастотной области спектра ветровых воздействий [53,31].

В связи с этим, спектр реакции сооружений (перемещений, усилий, моментов, напряжений) имеет два максимума - низкочастотный (или квазистатический) в области частот максимума спектра порывов ветра и высокочастотный (или резонансный) в области частот собственных колебаний сооружений. При этом, необходимо отметить, что строительные нормы и правила Российской Федерации основаны на методах расчета, позволяющих определять лишь суммарное значение реакции сооружений на порывы ветра по всему спектру ветровых воздействий [53,55]. Такой подход оправдан только при определении несущей способности сооружений (по I предельному состоянию), находящихся под воздействием ветра.

Однако в настоящее время приобрел большое значение расчет сооружений по деформативности (II предельное состояние), особенно конструкций, несущих остронаправленные антенны (например, башни сотовой и радиорелейной связи, радиотелескопы и др.), поскольку для этих конструкций имеет значение не только величина ошибки наведения, но, в большой степени, и ее частотный состав.

Далее, в связи с развитием в последние годы новых конструктивных форм сооружений, позволяющим проектировать более легкие и дешевые сооружения приобрели большое значение оценки усталостной прочности и долговечности сооружений (связано это с конструктивными особенностями данных сооружений) с обязательным определением числа циклов изменений напряжений в элементах и узлах в процессе эксплуатации. Для решений этой задачи также необходимы данные о реакции сооружений на порывы ветра раздельно в квазистатическом и резонансном диапазонах спектра ветрового воздействия [31,32].

Существует также проблема гашения колебаний сооружений вдоль потока с помощью оснащения их динамическими гасителями колебаний [24,31,38]. Как известно, динамические гасители колебаний успешно подавляют или уменьшают колебания сооружения на частотах, близких к их собственным частотам колебаний, за счет создания достаточно мощных инерционных сил от колебаний массы гасителя, действующих на сооружение в противофазе с его перемещением. Однако, при достаточно низких частотах воздействий вследствие малых величин ускорений, инерционные силы, возникающие при колебаниях массы гасителя, становятся столь малыми, что не могут воздействовать на колебания сооружения. В связи с этим, на стадии разработки и проектирования динамического гасителя колебаний очень важно правильно определить частотные диапазоны его эффективной работы с целью правильного определения его основных параметров: рабочей массы и демпфирования, а также объективного прогноза целесообразности и эффективности его использования на сооружении для указанных выше целей.

Кроме того, существует прикладная проблема правильной организации геодезических измерений натурных сооружений при определении вертикальности их элементов. После монтажа высотных сооружений, особенно с болтовыми соединениями каркаса, в течение определенного периода времени происходит «усадка» сооружения, т.е. изменение начальной геометрии. Наличие данного явления, а также необходимость контроля геометрии сооружения сразу после монтажа сооружения обстоятельство обуславливает важность проведения объективного геодезического контроля. Геодезический контроль необходимо проводить в условиях абсолютного штиля, чтобы исключить влияние деформаций вызванных ветровыми воздействиями. В практике производства геодезических работ такое условие трудно выполнимо и измерения проводятся при наличии ветра, что обуславливает необходимость исключения деформаций от воздействия ветра. Исключение деформаций от порывов ветра невозможно без учета разделения деформаций от порывов ветра на квазистатическую и резонансную составляющую.

В последние годы в нашей стране развернулось строительство высотных жилых и административных зданий отличительной особенностью которых является длительное пребывание в них людей. Уровень комфорта пребывания людей в здании зависит от ускорений перемещений перекрытий зданий и частоты их появления. Считается, что нижний диапазон частот, которые ощутимы человеком, начинается с частот порядка 0,067Гц, с ростом частоты уровень комфорта значительно снижается. Т.е. диапазон частот колебаний зданий, ощутимых человеком захватывает весь резонансный и часть квазистатического диапазона реакции сооружений. Комплексная оценка уровня комфорта пребывания людей в здании ветра должна проводиться с учетом спектрального состава реакции зданий на порывы ветра.

Все эти задачи могут быть успешно решены лишь в случае раздельного определения реакции сооружения на порывы ветра в квазистатической и резонансной областях спектра порывов.

Настоящая работа посвящена разработке методик раздельного расчета сооружений на динамическое воздействие от порывов ветра в квазистатическом и резонансном диапазонах частот энергетического спектра порывов и согласование результатов расчета по этим методикам с данными натурных испытаний реальных сооружений, находящихся под воздействием ветра.

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Применяемая в России методика расчета сооружений на порывы ветра, реализованная в нормативных документах, позволяет определять только суммарную реакцию сооружений на порывы ветра, что приемлемо при расчетах по первому предельному состоянию. Расчет сооружений по второму предельному состоянию, расчет на усталостную прочность и долговечность, оценка физиологической комфортности нахождения людей в высотных зданиях, а также правильные оценки целесообразности установки на сооружения динамических гасителей колебаний и оценки эффективности их работы невозможны без раздельного расчета реакции сооружений на порывы ветра в квазистатической и резонансной частотных областях спектров порывов ветра. Кроме того, существующая методика расчета сооружений на действие порывов ветра формирует искаженное представление о реакции сооружения на порывы ветра, объединяя два разнородных явления: квазистатические вынужденные колебания в достаточно широком частотном диапазоне и резонансные колебания, происходящие в узкой зоне собственных частот сооружения. Последнее обстоятельство приводит, в частности, к неправильной оценке реакции сооружений на порывы ветра при натурных исследованиях.

Существует ряд зарубежных методик расчета высотных сооружений на действие ветра с учетом разделения реакции сооружения на порывы на квазистатическую и резонансную часть. Все методики достаточно громоздки. При расчетах по этим методикам используется множество эмпирических формул и графиков с грубой сеткой, что позволяет сделать вывод о непригодности данных методик для прикладного использования инженером.

Методика, разработанная в ЦНИИПСК им. Мельникова и основанная на пошаговом интегрировании спектра порывов ветра с получением спектра реакции сооружения, математически сложна и не может быть использована в прикладных инженерных расчетах.

Для оценки применимости разрабатываемых расчетных методик необходимо проведение натурных измерений. При этом необходимо отметить, что аппаратуры, способной записывать реакцию сооружения на порывы ветра в широком диапазоне частот от 10Гц до 0.001, в России не существует.

Таким образом, отсутствие прикладной методики раздельного динамического расчета сооружений в низкочастотном и высокочастотном диапазонах спектра порывов ветра, а также отсутствие необходимой для натурных измерений аппаратуры сдерживает развитие важных направлений отечественной теории сооружений, направленных на совершенствование методов проектирования конструкций сооружений, для которых ветровая нагрузка является определяющей.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: является решение комплексной экспериментально -теоретической задачи по разработке методики расчета высотных сооружений на воздействие порывов ветра, позволяющей определить их реакцию на порывы раздельно в квазистатическом и резонансном диапазонах спектра порывов, а также проведение натурных исследований колебаний реальных сооружений для экспериментальной проверки разработанной методики.

Для достижения этой цели решены следующие задачи:

1) Разработан прикладной метод, основанный на преобразовании спектральной энергии турбулентных пульсаций скорости ветра в спектры аэродинамических сил и реакции сооружений с помощью системы передаточных функций, позволяющий определять резонансную составляющую реакции сооружений на порывы ветра с помощью аналитического выражения, а квазистатическую - с помощью номограммы.

2) Разработан метод прямого определения вклада квазистатической и резонансной составляющих реакции сооружений на порывы ветра, который 8 реализован в виде программы «Определение вкладов» и программного комплекса «Селена» раздел «Стационарное случайное воздействие».

3) Разработана и изготовлена измерительная аппаратура, позволяющая измерять амплитуды колебаний сооружений в квазистатической и резонансной областях спектра порывов ветра на частотах от 25 до 0,001Гц.

4) Проведены измерения колебаний на башне сотовой связи высотой 70м в г. Пушкино Московской области, получены спектры ее перемещений в квазистатической и резонансной областях спектра порывов ветра.

5) Проведено сравнение результатов натурных измерений с результатами теоретических расчетов по разработанным методикам, которые оказались в близком соответствии с друг с другом.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ заключается в следующем:

1) Разработаны прикладные аналитические методы раздельного определения вклада в общую реакцию сооружений на порывы ветра квазистатической и резонансной составляющих реакции.

2) Разработана сравнительно простая измерительная аппаратура, способная измерять с большой точностью перемещения колебаний сооружений в области низких частот от 25 до 0,001Гц.

3) Осуществлены измерения колебаний натурного сооружения, и полученные данные сравнены с результатами теоретических расчетов.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ:

1) Результаты работы позволяют уточнить методы расчета сооружений на деформативность, усталостную прочность и долговечность, а также предполагается использовать при выборе рациональных решений на стадии проектирования динамических гасителей колебаний.

2) Результаты работы позволяют организовать проведение геодезических работ на существующих высотных сооружениях с получением объективных данных об их вертикальности.

3) Результаты работы позволяют оценить степень физиологической комфортности длительного пребывания людей в высотном здании с учетом выделения вкладов ускорений перемещений в спектре реакции сооружения на порывы ветра.

4) Разработанные аппаратура и методики позволяют проводить более глубокие исследования взаимодействия сооружений с ветровым потоком и уточнить суммарную реакцию сооружений на действие порывов ветра.

5) Разработанные аппаратура и методики позволяют решать широкий круг прикладных задач, а именно: определение фактических динамических характеристик сооружений, мониторинг состояния конструкции высотных сооружений.

ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ:

Результаты диссертации использованы в ЗАО «ЦНИИПСК им. Мельникова»:

- при проектировании дымовых труб для ТЭЦ-27 и ТЭЦ21 в г. Москва.

- при оснащении гасителями колебаний радиотелевизионной башни высотой 200м в г. Самара и дымовой трубы высотой 120м Первомайской ТЭЦ.

- при проверке эффективности работы гасителя колебаний установленного на башне сотовой связи высотой 70м в г. Пушкино.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ

Результаты работы докладывались на международной конференции в Москве

IASS WORKING GROUP №4 MASTS AND TOWERS.

По результатам работы опубликовано 3 научных статьи.

Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, заключения,

Заключение диссертации по теме «Строительные конструкции, здания и сооружения», Никитин, Павел Николаевич

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Результаты имеющихся теоретических и экспериментальных исследований показывают, что реакция строительных конструкций на воздействие порывов ветра имеет две составляющие: квазистатическую, в диапазоне частот максимума энергетического спектра турбулентных порывов ветра и резонансную, в зоне частот собственных колебаний строительных конструкций.

2. Существующие отечественные строительные нормы позволяют рассчитывать только суммарную реакцию сооружений на воздействие порывов ветра (квазистатическую плюс резонансную), что вполне допустимо при определении несущей способности сооружений и их элементов. Однако, при расчетах сооружений на усталостную прочность и долговечность, на деформативность, а также при расчетах, связанных с исследованиями и разработкой динамических гасителей колебаний, размещаемых на сооружениях с целью уменьшения их динамической реакции на порывы ветра, необходимо использовать результаты раздельного определения квазистатической и резонансной составляющих реакции сооружений на действие порывов ветра.

3. Имеющиеся в настоящее время за рубежом методы расчета сооружений на ветер с выделением квазистатической и резонансной составляющих их реакции на действие турбулентных порывов не имеют замкнутых аналитических решений и сводятся, в основном, к использованию сложной системы номограмм с весьма грубой сеткой в логарифмических масштабах, что делает расчет с их помощью весьма трудоемким и неточным. Все это требует постановки вопроса о разработке новых, более совершенных методов раздельного расчета квазистатической и резонансной реакции строительных конструкций на воздействие порывов ветра.

4. В данной работе предлагаются две методики раздельного определения квазистатической и резонансной составляющих реакции сооружений на порывы ветра. Первая основана на принципах спектрального анализа и

131 использования системы передаточных функций, преобразующих спектр порывов ветра в спектр аэродинамических сил (аэродинамическая передаточная функция) и далее в спектр реакции сооружения (механическая передаточная функция). Результатом этой методики является весьма простое аналитическое выражение для определения резонансной составляющей реакции сооружений на порывы ветра. Квазистатическая составляющая определяется с помощью достаточно простой номограммы с единственным входным параметром -высотой сооружения. Вторая методика позволяет определять напряженно-деформированное состояние сооружения, находящегося под воздействием стационарного случайного возмущения с известной спектральной плотностью, каким являются порывы ветра в нижнем слое атмосферы. Расчет производится прямым интегрированием дисперсии выходных расчетных величин (перемещений, усилий, напряжений, опорных реакций и т.п.) по заданному энергетическому спектру входного воздействия (спектру порывов ветра Давенпорта). Частотный диапазон разбивается на ряд интервалов, в пределах которых задается своя спектральная плотность, а также устанавливается требуемая точность интегрирования. Именно это позволяет получить результаты отдельно для квазистатического и резонансного диапазонов частот спектра порывов ветра. Для реализации второй методики используется программа «Определение вкладов» и раздел «Стационарное случайное воздействие» расчетно-аналитического программного комплекса «Селена».

5. Для углубленного исследования квазистатической и резонансной составляющих реакции сооружений на воздействие порывов ветра необходимо проведение экспериментальных исследований на натурных сооружениях. Такие исследования нужны также для проверки адекватности разработанных теоретических методов раздельного расчета сооружений реальным физическим процессам взаимодействия сооружений с порывистым ветровым потоком.

6. Для антенных сооружений (а именно они рассматриваются в данной работе) диктующим является расчет по второму предельному состоянию, как следствие основными измеряемыми величинами для таких сооружений

132 являются перемещения под действием ветра. Для этих целей традиционно используются измерительные комплексы построенные на основе контактных датчиков- пьезоакселерометров способных измерять колебания с частотами не ниже ОД Гц, то есть они не могут работать в квазистатическом диапазоне частот, который охватывает частоты от 0,1 до 0,001Гц. В связи с этим, для измерений перемещений в квазистатической зоне частот, наиболее целесообразно использование оптических методов, не связанных с инерционными процессами (на этих частотах инерционные силы малы) и не требующими достаточно сложных промежуточных устройств и операций для преобразования измеренных ускорений в скорости и перемещения.

7. Специальный оптический измерительный комплекс, разработанный автором диссертации, предназначен для измерения перемещений сооружений, как в квазистатическом, так и резонансном диапазонах частот энергетического спектра порьюов ветра. Работа комплекса опробована на 70- метровой башне мобильной связи в г. Пушкино Московской области. По разработанным автором диссертации математическим программам произведена обработка результатов измерений и получены спектры перемещений вершины сооружения вдоль и поперек направления ветрового потока. При том на полученных экспериментальных спектрах четко выделяются две зоны максимумов (спектральных пиков). Первая - в зоне квазистатических частот, вторая - в районе частоты собственных колебаний по первой форме башни. При этом для 30-минутных записей принятых автором за основу, вклад частот квазистатического интервала в общую энергию колебаний составляет 63%, а резонансного интервала - 37%, что находится в согласии с теоретическими расчетами по имеющемся и предлагаемым в данной работе методикам для подобного типа сооружений.

8. При расчетах строительных конструкций на усталостную прочность и долговечность неучет разделения их реакции на порывы ветра на квазистатическую и резонансную составляющие приводит к завышению суммарного числа циклов колебаний в квазистатической области и к

133 завышению величины амплитуды переменных напряжений в резонансной зоне спектра порывов ветра. В результате расчетная долговечность сооружений оказывается сильно заниженной. Использование раздельного определения квазистатической и резонансной составляющих реакции сооружений на воздействие порывов ветра позволяет исправить указанный недостаток и получить правильные результаты при расчете конструкций и их элементов на усталостную прочность и долговечность. При этом, расчетная долговечность может возрастать в несколько раз и, даже, на порядок в связи с приближением величины расчетных напряжений к значению предела выносливости для рассчитываемых узлов и элементов.

9. При расчете сооружений, несущих остронаправленные антенны, на деформативность с целью определения ошибок наведения указанных антенн вследствие ветровых воздействий очень важно определить частотный состав ошибок наведения, поскольку от него зависит разработка методов их уменьшения или полной их компенсации. Так, например, ошибки наведения в квазистатической области частот могут быть практически полностью ликвидированы с помощью активных следящих приводов с обратной связью. Хотя приводные механизмы обладают известной инерцией срабатывания (запаздыванием), однако колебания сооружения в этой области частот достаточно медленные и применение приводных механизмов для указанных целей дает значительный эффект. В резонансном диапазоне частот, наоборот, колебания происходят на высоких частотах и больших скоростях, поэтому для компенсации ошибок наведения в этой зоне необходима разработка весьма сложных и дорогостоящих следящих систем с малыми постоянными времени срабатывания и целым каскадом обратных связей. При этом может оказаться, что компенсация ошибок наведения в резонансной зоне частот вообще невозможна и единственным способом их уменьшения является повышение жесткости сооружения на стадии его проектирования с целью повышения частот их собственных колебаний. Что приводит в целом к уменьшению деформаций сооружения от воздействия ветра и в, частности, к уменьшению

134 вклада резонансной составляющей реакции сооружения. В связи со сказанным становится ясной большая важность раздельного определения квазистатической и резонансной составляющих реакции сооружений на действие порывов ветра при расчетах по второму предельному состоянию (на деформативность).

10. Большое значение имеет раздельное определение квазистатической и резонансной составляющих реакции строительных конструкций на воздействие порывов ветра при разработке и проектировании динамических гасителей колебаний, устанавливаемых на сооружениях с целью уменьшения амплитуд их колебаний в ветровом потоке. Дело в том, что на низких частотах вынужденных колебаний сооружений, соответствующих квазистатическому интервалу колебаний в гасителе не возникают большие инерционные силы, как следствие гаситель не оказывает серьезного воздействия на сооружение. Поэтому динамические гасители колебаний способны гасить только резонансную составляющую реакции сооружений на порывы ветра. Отсюда следует важность раздельного определения квазистатической и резонансной составляющих реакции сооружений на порывы ветра при решении вопроса о целесообразности их оснащения динамическими гасителями и выборе их проектного решения.

11. Без комплексного учета структуры деформаций сооружений под действием ветра невозможна правильная организация геодезических работ на высотных сооружениях. На сегодняшний день в стране нет комплексной методики геодезических работ учитывающей наличие трех составляющих деформаций сооружений при воздействии ветра: статической, квазистатической и резонансной. Создание такой методики невозможно без раздельного определения квазистатической и резонансной составляющих реакции сооружений на порывы ветра.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

1. Анализ результатов имеющихся экспериментально-теоретических исследований перемещений сооружений под действием порывов ветра указывает на наличие в их суммарной реакции двух составляющих: квазистатической (низкочастотной) на частотах максимума спектра порывов и резонансной (высокочастотной) в диапазоне частот собственных колебаний сооружений.

2. Для расчета несущей способности сооружений и их элементов достаточно знание суммарной реакции сооружений на порывы ветра, которая находится по методикам существующих отечественных норм и правил.

3. Для расчета сооружений на деформативность, на усталостную прочность и долговечность, а также для разработки проектов их оснащения динамическими гасителями колебаний необходимо знание квазистатической и резонансной составляющих их реакции на порывы ветра. Кроме того, такие знания необходимы для создания методики проведения геодезических работ на высотных сооружениях.

4. Разработан прикладной метод расчета квазистатической и резонансной составляющих реакции сооружений на порывы ветра, основанный на спектральном анализе и использовании системы передаточных функций от спектра порывов ветра и спектру реакции сооружения.

5. Разработан метод расчета квазистатической и резонансной составляющих, основанный на непосредственном интегрировании спектров выходных величин (перемещений, напряжений, моментов и др.), разделенных на частотные интервалы. Для расчетов используется авторская программа «Определение вкладов» и расчетно-аналитический комплекс «Селена». С помощью этого метода дроведен расчет 7 высотных сооружений различных типов спроектированных в ЦНИИПСК, а также 142-метрового главного монумента памятника Победы на Поклонной горе в г. Москва. Результаты расчета согласуются с результатами, полученными по другим методикам.

6. Разработан оптический комплекс измерения перемещений натурных сооружений от ветровых воздействий способный измерять перемещения в широком частотном диапазоне.

7. Комплекс опробован на 70-метровой башне сотовой связи в г. Пушкино Московской области. В результате получены спектры перемещений и траектории движения вершины сооружения вдоль и поперек направления ветрового потока при средней скорости ветра около 7-8м/с. Обработка результатов измерений проведена с помощью математических программ, разработанных автором диссертации. На полученных спектрах колебаний имеется две зоны максимумов (энергетических пиков) - квазистатический и резонансный. При этом вклад частот квазистатического диапазона в общую дисперсию колебаний составляет около 63%, а резонансного 37%, эти данные находятся в согласии с теоретическими оценками по имеющимся методикам.

8. Показано, что неучет разделения реакции сооружений на порывы ветра на квазистатическую и резонансную составляющие приводит к занижению расчетной долговечности сооружений при их расчетах на усталостную прочность и долговечность. Раздельный учет этих составляющих способствует получению достоверных результатов, согласующихся с практикой эксплуатации указанных сооружений.

9. Показано, что при расчете сооружений, несущих остронаправленные антенны, на деформативность с целью определения ошибок их наведения от воздействия порывов ветра и разработка методов уменьшения и компенсации этих ошибок необходимо использовать результаты раздельного определения квазистатической и резонансной составляющих реакции этих сооружений на к

Y воздействие порывов ветра.

10. Показано, что при разработке проектов оснащения сооружений динамическими гасителями колебаний необходимо использовать данные раздельного определения реакции сооружений на воздействие порывов ветра в квазистатическом и резонансном диапазонах частот спектра турбулентных порывов ветра.

11. Результаты, полученные в использованы при разработке новых нормативных документов, касающихся зданий и сооружений. данной диссертации, могут быть и совершенствования имеющихся воздействия ветра на конструкции

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Никитин, Павел Николаевич, 2006 год

1. Андронов А.А., Витт А.А., Хайкин С.Э. Теория колебаний: Физматиз, 1959, М-785с.

2. Аппель П., Теоретическая механика, т.П, Физматиз: 1960, М -386с.

3. Айрапетов А.Б., Соловьева Е.В. Экспериментальное моделирование нагрузок и устойчивости высоких архитектурных и строительных конструкций и систем в ветровом потоке: Труды ЦАГИ. 1999. - Вып.2634.

4. Бабаков И.М. Теория колебаний. М.: Наука, 1968. - 560с.

5. Базилевский С.В. Гусев М.А., Петров А.А. Большепролетные и высокие сооружения ври случайных динамических воздействиях ( Обзор отечественного и зарубежного опыта) ВНИИС Госстроя СССР, М., 1984.

6. Барштейн М.Ф. Воздействие ветра на здания и сооружения: Труды ЦНИИСК. -вып.21,- 1973.

7. Барштейн М.Ф. Динамический расчет высоких сооружений на действие ветра: Справочник по динамике сооружений// под редакцией Б.Г. Коренева. М., 1984.

8. Болотин В.В. Случайные колебания упругих систем М.: Наука, 1979. -336с.

9. Болотин В.В. Статистические методы в строительной механике. М.: Стройиздат, 1965. - 270с.

10. Брикман Г.А. О геодезическом обеспечении и техническом контроле конструкций Останкинской телебашни. Труды ЦНТИ, вып. 4-5. 1983. с. 12-15.

11. Брикман Г.А., Гусев М.А. Колебания Останкинской телебашни при различных метеорологических условиях в нижнем слое атмосферы. Труды ЦВГМО, вып. 6, Гидрометеоиздат, 1975, с. 51-56.

12. Брикман Г. А., Гусев М.А. Низкочастотные колебания Останкинской телебашни под действием ветра. Труды ЦВГМО, вып. 12, Гидрометеоиздат, 1985, с. 42-46.

13. Бутенин Н.В., Неймарк Ю.И., Фуфарев Н.А. Введение в теорию нелинейных колебаний. М.: Наука, 1987. - 382с.

14. Вибрации в технике: Справочник. в. 6т.// Под редакцией Н. Челомея. -М.: Машиностроение, 1978 - 1981.

15. Виниченко Н.К. Пипус Н.З. Шметер С.М., Шур Г.Н. Турбулентность в свободной атмосфере. JI. Гидрометеоиздат, 1968

16. Гусев М.А., Брикман Г.А. Исследование динамических отклонений Останкинсой телебашни под действием ветра. Труды ЦВГМО, вып. 9, 1977, с.61-65.

17. Гусев М.А. О возможности автоколебаний цилиндрических тел вдоль потока жидкости или газа при кризисе сопротивления. Ученые записки ЦАГИ. Том IX, №3, 1978, с. 131-136.

18. Дженкинс Г., Ватте Д. Спектральный анализ и его приложения. -М.: изд. «Мир», 1971. 319с.

19. Ден -Гартог Дж.П. Механические колебания. М.: Зизматиз, 1960. - 580с.

20. Динамический расчет специальных сооружений и конструкций: Справочник проектировщика / Под редакцией Б.Г. Коренева и А.Ф. Смирнова. -М.: Стройиздат, 1986. -462с.

21. Заварина М.В. Сроительная климатология. Л.: Гидрометеоиздат, 1976.-312с.

22. Зилитинкевич С.С. Динамика пограничного слоя атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат. 1970. -291с.

23. Карклэ П.Г. Определение частот и декрементов собственных колебаний конструкций по переходным процессам. Ученные записки ЦАГИ. Том XIX, №1,1988.

24. Коренев Б. Обыдов В., Ройпггейн М. Динамические гасители колебаний. Рабочая группа «Мачты и башни» международной ассоциации по оболочкам и пространственным конструкциям. Чикаго, 1977.

25. Малаеб В.Ф. Разработка метода расчета сооружений башенного типа на нагрузку от порывов ветра: Дисс. канд. техн. наук. М., 1991.- 173с.

26. Никитин Н.В., Травуш В.И. О ветровых нагрузках в г. Москве // Строительная механика и расчет сооружений. 1973. -№3. - с.51-52.

27. Никитин Н.В., Травуш В.И. Эксперементальное изучение работы конструкций Московской телевизионной башни. Доклад на Всесоюзной конференции. М., 1970.-е. 54-55.

28. Никитин П.Н. Эксперементальное исследование динамических характеристик высотного сооружения// Промышленное и гражданское строительство. -2005. -№5 -с.47-48.

29. Никитин П.Н. Расчет высотных сооружений на воздействие порывов ветра // Промышленное и гражданское строительство. 2006. - №6.

30. Остроумов Б.В. Разработка, исследование и внедрение новых конструктивных форм высотных сооружений на основе экспериментально -теоретических исследований их взаимодействия с ветровым потоком: Дисс, канд. техн. наук. -М., 1985.- 292с.

31. Остроумов Б.В. Исследование, разработка и внедрение высотных сооружений с гасителями колебаний: Дисс. докт. техн. наук. -М., 2003.- 425с.

32. Остроумов Б.В., Гусев М.А. Расчет сооружений на усталостную долговечность с учетом разделения их реакции на порывы ветра на квазистатическую и резонансную составляющие.// Промышленное и гражданское строительство. -2005. -№2.

33. Остроумов Б.В., Гусев М.А. О квазистатической составляющей реакции сооружений на порывы ветра.// Промышленное и гражданское строительство. -2005. -№2.

34. Остроумов Б.В., Гусев М.А., Никитин П.Н. Исследование квазистатических перемещений высотных сооружений под действием ветра.// Монтажные и специальные работы в строительстве. 2005. - №4.

35. Остроумов Б.В., Патрикеев А.В., Гусев М.А. Контроль за состоянием несущих конструкций Главного монумента памятника Победы на Поклонной горе.// Промышленное и гражданское строительство. -2004. -№5.

36. Остроумов Б.В. Исследование турбулентного воздействия ветра на высотные сооружения. Проектирование металлических конструкций. Реферативный сборник. М.: ЦИНИС, 1971. - вып.11,- с.6-7.

37. Остроумов Б.В. Динамические гасители колебаний. Справочник проектировщика. Металлические конструкции. Том 3, глава 1, раздел 7. -М.: изд-во АСВ, 1999.-с.30-108.

38. Остроумов Б.В. Динамические испытания дымовой трубы с гасителем колебаний // Монтажные и специальные работы в строительстве. -2003. -№2. -с.9-13.

39. Остроумов Б.В. Экспериментально- теоретические исследования параметров затухания колебаний сооружения из двух дымовых труб.// Монтажные и специальные работы в строительстве. 2003. - №5.

40. Остроумов Б.В., Берштейн А.С., Ройштейн М.М. Динамический расчет специальных инженерных сооружений и конструкций: Справочник проектировщика. Раздел 16. -М.: Стройиздат, 1986 с. 404-445.

41. Остроумов Б.В., Зилитинкевич С.С. Об оценке ветровых нагрузок на высотные сооружения// Метеорология и гидрология. -1967. №6- с.41-49.

42. Пановко Я.Г. Основы прикладной теории упругих колебаний. М.: Машиностроение, 1967.-316с.

43. Полек B.C., Бервалдс Э.Я. Прецизионные конструкции зеркальных телескопов. Рига «Зинантс» 1990. 527с.

44. Полек B.C., Гусев М.А., Шилов С.Е. Динамический расчет сооружений на действие случайных нагрузок.// Промышленное и гражданское строительство. -1996. -№12.

45. Полек B.C., Гусев М.А., Шилов С.Е. Исследование возможности гашения колебаний радиотелескопов.// Промышленное и гражданское строительство. -1996. -№12.

46. Полек B.C., Гусев М.А., Шилов С.Е. Разработка динамической модели прецизионного радиотелескопа, расчет частот и форм его собственных колебаний.// Промышленное и гражданское строительство. -1996. -№12.

47. Полек B.C., Гусев М.А., Шилов С.Е. Динамика конструкций радиотелескопов при импульсных воздействиях.// Промышленное и гражданское строительство. -1999. -№5.

48. Полек B.C., Гусев М.А., Шилов С.Е. Расчет динамических ошибок наведения радиотелескопов при воздействии порывов ветра.// Промышленное и гражданское строительство. -1999. -№5.

49. Попов Н.А. Рекомендации по уточненному динамическому расчету зданий и сооружений на действие пульсационной составляющей ветровой нагрузки. Госстрой России, ГУП ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко. ООО Еврософт, Москва 2000.-46с.

50. Прочность, устойчивость колебания. Универсальный программный комплекс для расчета конструкций на прочность SELENA. Версия 3.0. Руководство пользователя. 233с.

51. Ройштейн М.М. Исследование влияния оттяжек на прочность, устойчивость, надежность радиомачт. Дисс. канд. техн. наук. -М., 1976.

52. Руководство по расчету зданий и сооружений на действие ветра. -М.: Стройиздат, 1978. 217с.

53. Симиу Э., Скаклан Р. Воздействие ветра на здания и сооружения. -М.: Стройиздат, 1984. 360 с.

54. СНиП 2.01.07 85* Нагрузки и воздействия. - М.: ЦИТП Минстроя Р.Ф., 1996.-35с.

55. СНиП П-23-81* Стальные конструкции. М.: ЦИТП Минстроя Р.Ф., 2000. - 69с.

56. Соколов А.Г. Опоры линий передач. М.: Стройиздат, 1961. - 275с.143

57. Соколов А.Г. Металлические конструкции антенных устройств. -М.: Стройиздат, 1971. -240с.

58. Толстобров Б.Я. Порывистость сильного ветра в нижнем 350-метровом слое атмосферы по данным измерений на мачте в г. Ушачи. М.: Труды ЦВГМО., вып. 9., 1977. с.93-96.

59. Толстобров Б.Я. К методике аппаратурной экстрополяции количественных характеристик атмосферных процессов в нижнем слое атмосферы. М.: Труды ЦВГМО., вып. 13., 1979. с.62-67.

60. Травуш В.И., Фридман Ю.Г. Об опыте проектирования Останкинской телебашни -М.: Труды ЦНТИ, вып.4-5,1983. с.5-8.

61. Ухов А.И., Дубиренко В.В., Степанов Д.Г. Исследование переменных моментов ветровых нагрузок, действующих на полноповоротную антенну, как случайных величин.// Труды ФИАНН. М.: Наука, 1969. - Вып. 47. -с.123-139.

62. Ухов А.И., Дубиренко В.В., Степанов Д.Г. Определение статистических характеристик случайных воздействий на систему наведения радиотелескопа.// Труды ФИАНН. -М.: Наука, 1968. Вып. 5. - с.109-118.

63. Цейтлин А.И., Атаев М. Определение характеристик сооружений по результатам динамических испытаний.// Строительная механика и расчет сооружений. 1975. - №6.

64. Хргиан А.Х. Физика атмосферы. Л.: Гидроиздат, 1978. - 512с.

65. Фын Я.Ц. Введение в теорию аэроупругости. М.: Физматиз, 1959. - 523с.

66. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М.: Наука, 1974. - 711с.

67. Шмидт Г. Параметрические колебания. М.: Мир, 1978. - 326с.

68. Akabane К. A large millimeter wave antenna.// Intern. J . Intared a. Millime Waves. -1983. Vol.4, №5. -p.793 - 808.

69. Akabane K., Morimoto M., Kaifii N., Ishiguro M. Large mm-wave telescopes in Japan.// Sky a. Telescope. -1983. Vol.66. - p.495.

70. Altman H. Die Stahlkostruktion des 100m radiotelescopes in Effelsberg // Stahlbau. -1972. -Bol 11. - s.321-331.

71. Ayorinde E.o., Warburton G.V. Minimizing structural vibrations with absorbers// Eaarthquake Eng-g and Struct. Dinamics. -1980. Vol.8. p. 219-236.

72. Blackman R.B., Tukey J.W. The measurement of power spectra from the point of view of communications engineerin. Dover publications, New York, 1959. -190p.

73. Brook R.R. A note on vertical coherence of wind measured an urban Boundary layer. «Boundary layer Meteorol » 1975, Vol.l9.№l. p.11-20.

74. Choi chong chuen. Correlation and spectral functions of atmospheric turbulence. -Proc.l 11. ICWE. Tokyo. 1971. p.45-55.

75. Counihan J. Adoubatic atmospheric boundary layers: a review and analysis of data from the period 1880-1972. Atmosperic environment. 1975, Vol.9. -p.871-905.

76. Davenport A.G. The application of statistical concepts to the wind loading of structures. -Proc I.C.E., London, 1961. Vol. 19. -p.449-472.

77. Davenport A.G. The spectrum of horizontal gustiness near the ground in high winds. Quaterly Journal Royal Meteorological society, London, 1961. - Vol. 87. -p.194-211.

78. Davenport A.G. The response of slender, line like structures to a gusty wind. Proc Inst. Civ. Eng. 1962.

79. Davenport A.G. The buffeting of large superficial structures by a atmospheric turbulence. Annals of New York Academy of Sciences. Vol. 116, Art. 1. June, 1964.

80. Davenport A.G. Gust loading factors. // J. of the structural division Proceedings of the American Society of Civil Engineers. June, 1967. - Vol.93.

81. Davenport A.G. The dependence of wind loads on meteorological parameters. Proc. Of a Symp. On wind effects on wind effects on buildings and structures, Ottawa, 1967. - Vol.1.- p.20-82.

82. Davies P.O.A.L., Jule A.J. Coherent structures in turbulence. J. Fluid Mech. 1975. Vol.69, p. 513-537.

83. Deacon E.L. The cross-wind scale of turbulence in strong winds. Proc. ICWE, 1971. p. 169-170.

84. Diederish Franklin W. The dynamic response of a large airplane to continuous random atmospheric disturbances. Journal of Aeronautical sciences. Vol23, №10, Oct. 1956.

85. Korenev B.G., Malov V.Y., Roitstein M.M., Shulman Z.A. Effeciency of Dynamic vibration dampers at reconstruction of TV tower // 17 th Meeting of IASS Working group №4 on Masts and Towers, Wichester, September, 1995.

86. Ostroumov B.V., Morozov E.P. New 360m high television tower structure in Alma-Ata. IABSE structures, Zurich, 1978. № 4. - p. 20.

87. McDonald A.J. Wind loading on Buildings. London, 1975.

88. Polska norma PN 77/B - 02011. Obciqseme wiatrem. - Warszawa, 1979, 37.

89. Rusheweych H Wind Loadings on the Television Tower, Hamburg, Germany. Journal of Industrial Aerodynamics, 1,1976,315-333.

90. Shneider F.X., Wittman F.H. Results of wind and vibration measurements at the Munich television tower. Journal of Industrial Aerodynamics, 1,1976,279-296.

91. Singer, Irving A. Wind gust spectra. Annals, New York Academy of Sciences, Vol. 116, June, 1964.

92. Vellozzi J. and Cohen E. Gust response factors. Journal of the Sructural Division. Proceedings of the American Society of Civil Engineers, 1968, Vol.94, №ST6, p. 1295- 1313.

93. American National Standard. Building Code Requirements for Minimum Design Loads in Buildings and other Structures. ANSI A58.1 1972.

94. Berman S. Estimating the longitudinal Wind Spectrum near the Ground. Qart. J. Roy. Met. Soc. Vol. 91, 1965.

95. Gramer H.E. Measurement of turbulence Structure Near Ground Within the Freqency Range from 0.5 to 0.01 Cycles sec"1. Advances in Geophysics. Academic Press, New York, 1959.

96. Van der Hoven J. Power Spectrum of Horizontal Wind Speed in Frequency Range from 0.0007 to 9000 cycles per Hour. J. of the Met., V. 14, 1957.

97. Vickery B.J. Clark A.W. Lift or Across Wind Response of Tapered Stacks. J. of Structural Division Proc. ASCE, Jan. 1972.v