Определение аэродинамических характеристик подвесок арочного моста

Статья посвящена экспериментальному исследованию аэродинамических характеристик Н-образного сечения подвесок арочного моста, широко применяемого в строительной практике, но недостаточно изученного с точки зрения аэродинамики.

Актуальность работы обусловлена необходимостью прогнозирования аэроупругих колебаний гибких конструкций с нестандартными сечениями.

Исследования проводились в аэродинамической трубе Т-503 НГТУ на трех типах моделей: натурном Н-образном сечении подвески, а также, для сравнения, на описанных вокруг него квадратном и прямоугольном сечениях. Целью исследований является экспериментальное определение влияния формы сечения на коэффициенты осредненных аэродинамических сил.

Результаты показали, что наличие выступающих полок в Н-образном сечении оказывает значительное влияние на аэродинамические параметры. Установлено, что для сечения с соотношением сторон B/H = 0,91 величина критерия Ден-Гартога снижается на 53 % по сравнению с гладким прямоугольным сечением, что свидетельствует о существенном уменьшении склонности к галопированию.

Практическая значимость работы заключается в предоставлении детальных аэродинамических коэффициентов для проектирования мостовых конструкций, что позволяет точнее оценивать ветровые нагрузки и снижать риски аэроупругих колебаний. Научная новизна подтверждается выявлением положительного аэродинамического эффекта выступающих полок, что обосновывает их применение не только из технологических соображений, но и для повышения ветровой устойчивости конструкций.

1. Larsen A., Esdahl S., Andersen J. E., Vejrum T. Storebealt Suspension bridge – vortex shedding excitation and mitigation by guide vanes // Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 2000. Vol. 88. P. 283–296.

2. Овчинников И. И., Овчинников И. Г., Филлипова В. О. Насколько уникальны колебания Волгоградского моста? // Техническое регулирование в транспортном строительстве. 2015. № 6 (14). С. 81–91.

3. Fujino Y., Kimura K., Tanaka H. Wind Resistant Design of Bridges in Japan Developments and practices // 2012, 231 p.

4. Salenko S. D., Obukhovskiy A. D., Gosteev Yu. A. Aerodynamic studies of the beam bridge // AIP Conference Proceedings. 2017. Vol. 1893. Iss. 1. DOI 10.1063/1.5007534

5. Suangga M., Alvianus Y. Galloping performance of various shape of bridge hanger // IOP Conference Series Earth and Environmental Science, March 2020. DOI: 10.1088/1755-1315/426/1/012059

6. Suangga M. Permatasari S. H., Irpani H. Study of Bridge Parameters on Aerodynamic Performance of Steel Arch Bridge // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2021. Vol. 794. No. 1. Art. No. 012038. DOI 10.1088/1755-1315/794/1/012038

7. Elshaer A., Bitsuamlak G., Damatty A. Aerodinamic optimization to reduce wind loads on tall building // Resilient Infrastructure, 2016, NDM-530.

8. Казакевич М. И. Аэродинамические способы гашения колебаний плохообтекаемых тел в ветровом потоке // Строит. механика и расчет сооружений. М., 1974. № 6. C. 66–70.

9. ГОСТ 59625-2022 Дороги автомобильные общего пользования. МОСТОВЫЕ СООРУЖЕНИЯ. Правила расчета и подтверждения аэроупругой устойчивости. (таблица 2)

10. Eurocode 1: Actions on structures. Part 1–4: General actions. Wind actions. EN 1991-1-4:2005 / European Standard. Brussels, 2005. 46 p.

11. Delany N. K., Sorensen N. E. Low-Speed Drag of Cylinders of Various Shapes // Washington: NACA, 1953. (Technical note ; 3038). 46 p.

12. Nakaguchi H., Hashimoto K., Muto S. An experimental study on aerodynamic drag of rectangular cylinders // Trans. Japan Aeronaut. Space Sci. 1968. Vol. 16. P. 1–5. 1968.

13. Courchesne J., Laneville A. An Experimental Evaluation of Drag Coefficient for Rectangular Cylinders Exposed to Grid // Journal of Fluids Engineering. 1982. Vol. 104(4). P. 523–527. DOI 10.1115/1.3241897

14. Igarashi T. Characteristics of the Flow around Rectangular Cylinders // Bulletin of JSME. 1985. Vol. 28. No. 242. P. 1690–1696.

15. Norberg C. Flow around rectangular cylinders: Pressure forces and wake frequencies // Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 1993. Vol. 49. Iss. 1–3. Р. 187–196. DOI 10.1016/0167-6105(93)90014-F

16. Yang T., Mason M. S. Aerodynamic characteristics of rectangular cylinder in steady and accelerating wind flow // Journal of Fluids and Structures. 2019. Vol. 90. Р. 246–262. DOI 10.1016/j.fluidstructs.2019.07.004

17. Xiaoqing D. at al. Experimental study on aerodynamic characteristics of two square cylinders at various incidence angles // Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 2019. Vol. 191. Р. 154–169. DOI 10.1016/j.jweia.2019.05.019

18. Sewatkar C. M., Patel R., Sharma A., Agrawal A. Flow around six-line square cylinders // Journal of Fluid Mechanics. 2012. Vol. 70. Р. 195–233. DOI 10.1017/jfm.2012.359

19. Seyhan M., Sarioğlu M., Akansu Y. E. Effect of attack angle on flow around a square prism with a splitter plate // Uludağ University Journal of The Faculty of Engineering. 2018. Vol. 23. No. 2. P. 233–240. DOI 10.17482/uumfd.470660

20. Gosteev Yu. A., Konovalov I. S., Obuhovskiy A. D., Salenko S. D. Aeroelastic vibrations of arch bridge suspensions // Magazine of Civil Engineering. 2025. Vol. 18. No. 3. Article 13503. DOI 10.34910/MCE.135.3

21. Bearman P. W., Trueman D. M. An Investigation of The Flow around Rectangular Cylinder // Aeronautical Quarterly. 1972. Vol. 23. Iss. 3. Р. 229–237.

22. Salenko S. D., Konovalov I. S., Gosteev Yu. A. End plates influence on square prism drag coefficient // 22-St international conference on the method of aerophysical research (ICMAR 2024). Abstracts. Novosibirsk, 2024. Р. 140–141.

23. Гостеев Ю. А., Обуховский А. Д., Саленко С. Д., Демиденко А. В., Акимов М. А. Сопоставление результатов численных двумерных расчетов плохообтекаемых тел и продувок секционных моделей с концевыми шайбами // IX Всерос. шк.-семинар СИБНИА «Аэродинамика и динамика полета летательных аппаратов» (Седова заимка, 9–11 февр. 2011 г.): Тез. докл. Новосибирск, 2011.

24. Коновалов И. С. К методике осреднения результатов весовых экспериментов в условиях повышенных вибраций // Аэродинамика и динамика полета летательных аппаратов: материалы XXI Всерос. шк.-семинар СибНИА, Седова заимка, 15–18 марта 2023 г. Новосибирск: СибНИА им. С. А. Чаплыгина, 2023. С. 36–38.

25. Noda H., Nakayama A. Free-stream turbulence effect on the instantaneous pressure and forces on cylinders of rectangular cross section // Experiments in Fluids. 2003. Vol. 34. Р. 332–344. DOI 10.1007/s00348-002-0562-0

26. Wang Q., Jiang Q., Hu G., Chen X., Li Ch., Xiao Y. Aerodynamic characteristics of square cylinder with corner fins // Advanced in Bridge Engineering. 2021. Vol. 2 (20). DOI 10.1186s43251-021-00042-x