Центральный аэрогидродинамический институт имени проф. Н. Е. Жуковского (ЦАГИ) завершил испытания модели автодорожного моста через реку Волгу у города Кинешмы на аэроупругую устойчивость. Как оказалось, при скорости ветра более 20 м/с у этого моста могут возникнуть колебания типа «ветровой резонанс». Напомним, что в мае прошлого года именно это явление привело к «танцам» волгоградского моста с размахом до 0,75 метра, что наблюдалось впервые в практике балочного мостостроения.

До сих пор ни на одном балочном мосту таких колебаний не возникало

После завершения исследований модели волгоградского моста и выдачи рекомендаций по устранению опасности возникновения подобных колебаний в ЦАГИ было принято решение испытать модели аналогичных конструкций, имеющих пролеты такой же длины. Первым из них стал находящийся в эксплуатации с 2003 года автодорожный мост возле Кинешмы.

Эксперимент проводился в аэродинамической трубе Т-103 ЦАГИ на отсечной модели пролетного строения моста, выполненной в масштабе 1:30, при скоростях потока до 40 м/с. По словам заместителя начальника НИО-19 ЦАГИ (отделение аэроупругости, норм прочности и нагрузок) Константина Стрелкова, для устранения возможности колебаний специалистами института были исследованы пять вариантов обтекателей. «В ходе испытаний мы разработали наиболее оптимальную конструкцию, способную повысить безопасность эксплуатации действующего строения. По итогам проведенных работ заказчику была выдана рекомендация: по обоим боковым торцам нескольких пролетов моста установить разработанные в ЦАГИ специальные обтекатели для гашения колебаний», – отметил Стрелков.

Отметим, что автодорожный мост через реку Волгу у города Кинешмы стал 16-м испытанным в Центральном аэрогидродинамическом институте имени проф. Н. Е. Жуковского. До этого в аэродинамических трубах ЦАГИ были исследованы модели различных балочных и вантовых мостов. В их числе модели вантовых мостов через Обь (Сургут), через Москву-реку (в Серебряном бору), через Оку (Муром), через Волгу (в Дубне), через реку Самару (в Самаре) и вантовый мост на острове Русский через пролив Босфор Восточный (Владивосток), говорится в сообщении ЦАГИ.

За подробностями газета ВЗГЛЯД обратилась к Константину Стрелкову, руководившему испытаниями.

ВЗГЛЯД: Константин Сергеевич, ЦАГИ завершил испытания на аэроупругую устойчивость моста. Что вообще означает этот показатель?

Константин Стрелков: Практически любой современный мост является плохо обтекаемым телом. Самолет вот хорошо обтекаем, и то у него возникают подобные проблемы. А плохо обтекаемое тело заранее обречено на то, что на нем будут возникать различные воздушные «срывные» явления, образовываться вихри. Эти вихри представляют собой пульсирующее изменяющееся давление, которое приводит к тому, что на мост поперек потока действует переменная сила. Воздействие вихря происходит в вертикальной плоскости, по поверхности. В результате возникают колебания...

ВЗГЛЯД: Как это можно представить наглядно?

К. С.: В механике есть такое понятие, как резонанс. Каждая конструкция, имеющая некоторую жесткость и массу, способна совершать колебания с деформацией ее формы. Эти колебания происходят при так называемых собственных частотах, зависящих от  геометрии конструкции, величин и распределения по конструкции массы и жесткости.

При внешнем динамическом воздействии конструкция охотно откликается, когда частота воздействия и частота собственная совпадают, в итоге возникает явление резонанса. Вихри, всегда возникающие при обтекании ветром мостового пролета, содержат составляющие с разными частотами и разной интенсивности. При определенной скорости, называемой критической скоростью ветрового резонанса, среди этих вихрей создается один с достаточно большой мощностью воздействия, попадающий в резонанс с собственной частотой объекта, и возникает явление, которое мы могли наблюдать на «танцующем» волгоградском мосту.

ВЗГЛЯД: Инцидент с мостом в Волгограде стал для вас неожиданностью?

К. С.: ЦАГИ занимается мостами только тогда, когда есть обращения от мостовиков. Когда произошли колебания моста в Волгограде, мы ознакомились с его характеристиками, и сразу стало понятно, что произошло. Эти колебания можно было предсказать, но существующие СНиПы (строительные нормы и правила – прим. ВЗГЛЯД) не предусматривали обязательного экспериментального исследования аэроупругой устойчивости балочных мостов. Для вантовых, висячих мостов, действительно, было предписано проведение испытаний в аэродинамической трубе, чтобы проверить расчеты на устойчивость. Для балочных мостов этого не было.

Но до сих пор ни на одном балочном мосту таких колебаний не возникало. Есть ведь инерция в мышлении, и, чтобы произошли  изменения, должно случиться что-то выходящее из ряда. Важен факт прецедента.

Пока мосты имели достаточную строительную высоту и не очень длинные пролеты, низшая собственная частота у них была около 1 герца, то есть одного колебания в секунду. У таких мостов тоже мог возникать ветровой резонанс, но при скорости ветра более 35–40 м/с, чего в России практически не бывает. Объясню, почему: шквал, смерч может достичь и 50 м/с, но он не вызовет ветрового резонанса, потому что он кратковременен, а для развития колебаний  нужно достаточно длительное воздействие – несколько минут при определенной скорости, называемой критической скоростью ветрового резонанса. Тогда мост раскачивается. Он начинает раскачиваться медленно: масса все-таки огромная, тысячи тонн! Раскачивается от ветра, хотя многие свидетели того, что происходило с волгоградским мостом, говорили, что быть такого не может – чтобы ветер раскачал такую махину.

ВЗГЛЯД: То есть волгоградский мост «затанцевал» из-за резонанса колебаний конструкции и порывов ветра?

К. С.: Да, волгоградский мост был первым, кто «вляпался» – я прошу прощения за это выражение – в эту ситуацию. Там дул постоянный ветер со скоростью от 14 до 16 м/с, что как раз по формулам совпало с резонансом самого моста на первой частоте. Это никакое не уникальное явление. Но СНиП не требовал испытывать такой мост  в аэродинамической трубе. Никто не станет тратить деньги на то, что не предписано, чтобы потом еще и оказаться на карандаше у Счетной палаты. И экспертиза этого не пропустит. И до сегодняшнего дня испытания таких мостов  не требовалось. Сейчас ведутся обсуждения изменений СНиПа, но пока еще новый СНиП не принят. А делать это нужно обязательно – дорабатывать правила, действующие в этой области.

#{image=371831}ВЗГЛЯД: Сколько всего в России мостов, похожих на волгоградский, которые может постичь его участь?

К. С.: Четыре или пять. Каждый из них может затрястись – при разной силе ветра, потому что частота каждого зависит от длины пролета, высоты сечения пролетного строения. Например, низшая критическая скорость для моста в Кинешме, который мы тестировали в ноябре прошлого года, 20–22 м/с. Это реальная скорость, но, видимо, за те годы, что мост там открыт, такого пока не случалось. Но поскольку сейчас стали делать длинные мосты – в Саратове, в Казани, – опасность повторения волгоградского инцидента увеличивается.

ВЗГЛЯД: Что можно было сделать в Волгограде, чтобы мост не «танцевал»?

К. С.: Речь главным образом идет о внутреннем трении в конструкции. Железобетонные мосты имеют большое внутреннее трение, поэтому явления ветрового резонанса у таких мостов не наблюдается. А стальная конструкция, тем более сварная или хорошо собранная на болтах, имеет очень малое внутреннее трение (низкий декремент колебаний). Изменить это можно только искусственно, добавляя в конструкцию различные демпфирующие элементы. Такое решение и было принято для волгоградского моста.

ВЗГЛЯД: Исследованный вами мост в Кинешме безопасен?

К. С.: Сейчас, когда произошел случай в Волгограде – а у моста в Кинешме очень близкие характеристики, – конструкторы сразу обратились к нам с предложением «продуть». Мы «продули», нашли некое приемлемое решение. Надо сказать, что приемлемое решение – тоже сложный вопрос. Дело в том, что скорость ветра в каждом регионе своя. Там есть такие понятия, как повторяемость раз в 50 лет и т. д. В соответствии с этим в каждом регионе свое решение в виде установки обтекателей.

У Кинешмы климат несколько иной, чем в Волгоградской области, где степи, на просторах которых разгуливаются ветра. Дело кончилось тем, что мы выдали рекомендации, заказчик отправил их в администрацию Ивановской области, область сейчас решает, применять или не применять предложенные обтекатели.

ВЗГЛЯД: А как сейчас обстоят дела с волгоградским мостом?

К. С.: Волгоградский мост сейчас не защищен. Кстати, отмечу, что этот мост несимметричный и при продолжительном южном ветре со скоростью в районе 15–17 м/с может начать колебаться с еще большей амплитудой. Тогда могут быть более тяжкие последствия, нарушения в конструкции, деформации, чем произошедшие 20 мая прошлого года.

В настоящее время заканчивается очень длинная процедура утверждения намеченного проекта работ. Начинаются работы по установке внутри трех пролетов моста специальных поглотителей колебаний с подвижной (подрессоренной) массой около 7 тонн. Эти устройства должны увеличить декремент колебаний до уровня, гарантирующего безопасную эксплуатацию моста. Эти работы будут закончены, по-видимому, не раньше чем к осени этого года. Следует отметить, что в настоящее время мост оснащен системой мониторинга, постоянно контролирующей динамику моста.